Химики сделали то, о чем давно мечтали физики

В декабре 1959 года Ричард Фейнман на рождественском обеде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте прочитал лекцию «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» [1]. В этой лекции Фейнман фантазировал (дискутировал для забавы: «I would like to discuss, just for amusement») о возможности миниатюризации разных технических устройств — электромоторов, автомобилей, компьютеров (последние в то время занимали целые комнаты), об уменьшении их размеров вплоть до атомарного уровня.

Сейчас, в эру нанотехнологий, эта лекция стала знаменитой, а тогда к идеям Фейнмана никто не отнесся всерьез — как выяснил Крис Торни, в первые двадцать лет после опубликования в журнале Engineering and Science (в 1960 году) лекцию цитировали всего семь раз [2]. Поэтому Нобелевскую премию по физике 1965 года Фейнман получил совсем за другое — «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц» (совместно с Синъитиро Томонагой и Джулианом Швингером).

Но вот химики сделали то, о чем мечтал Фейнман. В 2016 году Нобелевскую премию по химии получили Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage), Бернард Феринга (Bernard Feringa) и Фрезер Стоддарт (Fraser Stoddart) — «за дизайн и синтез молекулярных машин».

Соваж и Стоддарт занимались синтезом и исследованиями катенанов и ротаксанов — удивительных соединений, в которых отдельные части молекулы соединены между собой не химическими связями, а механически (топологическая связь). В катенанах два (или больше) кольца, каждое из которых представляет собой макроциклическое соединение, скреплены между собой как звенья колодезной цепи.

Ротаксан — это молекулярная гантель, на которую надето молекулярное кольцо. Размеры головок гантели подобраны так, чтобы кольцо не могло соскочить со стержня.

Первые катенаны и ротаксаны были синтезированы еще в 1960-х годах [3]. Но поскольку замыкание макроциклов происходило вероятностно (стохастически), выходы соединений не превышали нескольких процентов и даже долей процента. Заслуга Соважа и Стоддарта в том, что они, во-первых, применили «темплатный» синтез катенанов и ротаксанов — метод сборки конечной структуры по шаблону (от англ. template — трафарет, шаблон).

Суть метода состоит в том, что прекурсоры — заготовки составных частей конечной молекулы — за счет нековалентных взаимодействий образуют ассоциаты, в которых эти заготовки уже должным образом ориентированы в пространстве друг относительно друга — такой процесс называется супрамолекулярной предорганизацией. В возникшей конструкции остается только соединить концы полукольца — замкнуть цикл — или закрепить фиксирующие головки гантели, поэтому препаративные выходы соединений достигают 70–80% [4].

Во-вторых, Соваж и Стоддарт показали, что отдельные части молекул ротаксана и катенана могут менять расположение «друг относительно друга» — совершать механические движения. В ротаксане кольцо способно скользить по стержню гантели от одной головки к другой — двигаться взад и вперед, подобно челноку, или вращаться вокруг стержня. В катенане кольца способны проворачиваться друг относительно друга, при этом вся цепь может сжиматься и растягиваться.

И что самое существенное — этими механическими движениями можно управлять путем внешнего воздействия, при добавлении химических реагентов, электрохимически или под действием света.

Свет является движущей силой и молекулярного мотора, придуманного и синтезированного третьим лауреатом премии — Ферингой. Работа мотора основана на хорошо известной реакции фотоизомеризации соединений с двойной связью — производных этилена. Двойная связь жестко фиксирует две части молекулы, но под действием света связь разрывается — превращается в одинарную, и части молекулы проворачиваются вокруг этой связи, как ротор вокруг оси. Чтобы вращение происходило только в одну сторону — по или против часовой стрелки, — молекулярные роторы должны иметь спиралевидную структуру.

Четыре ротора соединили между собой с помощью молекулярного шасси и получили (синтезировали!) молекулярный четырехколесный «автомобиль» размером 2х4 нм, который направленно передвигался при электронном возбуждении [7].

Итак, молекулярные наномеханизмы, способные совершать механическую работу, уже сконструированы и построены (точнее, синтезированы). А что же нанокомпьютер, о котором мечтал Фейнман? Об этом мы расскажем в следующем номере нашей газеты.

Михаил Будыка,
докт. хим. наук, профессор, зав. лабораторией органической и супрамолекулярной фотохимии Института проблем химической физики РАН

1. There’s Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

2. www.nanonewsnet.ru/news/2009/50-let-znamenitoi-lektsii

3. a) Wasserman E. J. // Am. Chem. Soc. 1960. 82. Р. 4433-4434; b) Harrison I. T., Harrison J. // Am. Chem. Soc. 1967. 89. Р. 5723–5724.

4. а) Anelli P. L., Ashton P. R., Ballardini R., Balzani V. , Delgado , Gandolfi M. T., Goodnow T. T., Kaifer A. E., Philp D., Pietraszkiewicz M., Prodi L., Reddington M. V., Slawin A. M. Z., Spencer N., Stoddart J. F., Vicent C., Williams D. J. J. // Am. Chem. Soc. 1992. 114. P. 193–218; б) Weck M., Mohr B., Sauvage J.-P., Grubbs R. H. // J. Org. Chem. 1999. 64. Р. 5463–5471.

5. Balzani V., Credi A., Ferrer B., Silvi S., Venturi M. Artifi cial Molecular Motors and Machines: Design Principles and Prototype Systems // Top Curr Chem. 2005. 262. P. 1–27.

6. Koumura N., Zijlstra R. W. J., van Delden R. A., Harada N. and Feringa B. L. Light-driven monodirectional molecular rotor // 1999. 401. Р. 152–155.

7. Kudernac T. , Ruangsupapichat N., Parschau M., Maciá, Katsonis N., Harutyunyan S. R., Ernst K. H., Feringa B. L. // Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface // Nature. 2011. 479 (7372). P. 208–221.

8. sciencedaily.com/releases/2011/11/111110092403.htm