Нобелівську премію 2016 року з хімії вручили за розробку найменших у світі машин. Наномасштабні роботи в 1000 разів менше за ширину людської волосини. Але нам до них не звикати, адже фантасти давно пророкували появу подібних пристроїв і описували, які переваги вони принесуть у найрізноманітніших галузях, зокрема, у медицині та енергетиці. Однак створити такі мікромашини в реальності виявилося надскладним завданням.
Звести історію розвитку молекулярних машин до одного якогось вченого чи наукового прориву досить важко. Як стартову точку відліку часто беруть лекцію відомого фізика Річарда Фейнмана, яку він прочитав у 1959 році. Його доповідь в Американській спільноті фізиків у Каліфорнії під заголовком «Вдосталь місця внизу» заклала основи нанотехнологій.
У тій розповіді Фейнман також торкнувся одного з найперспективніших використань для наномашин – нанохірургії та локальної доставки ліків. «Хоча це досить дивна ідея, було б цікаво, якби можна було ковтнути хірурга, – сказав тоді фізик аудиторії. – Розмістіть механічного хірурга в судині, і він дійде до серця, де огляне його. Він визначить, який клапан у поганому стані, вийме маленький ніж та виріже його».
Досить швидко ця нова концепція опинилася на сторінках та в сценаріях творів наукової фантастики. Наприклад, у фільмі «Фантастична мандрівка» 1966 року екіпаж субмарини зменшили та впорснули в тіло науковця, якому потрібна була допомога.
50 років потому фантастика нею і залишається. Але, як сказав один із трьох лауреатів Нобелівської премії з хімії 2016 року сер Фрезер Стоддарт, «це не станеться в одну мить. Це потребує багато часу та сотень талановитих докторів наук».
Коли Фейнман теоретично міркував про управління матерією на мікрорівні, хіміки вже прокладали дорогу для цього. У 50-х та 60-х роках минулого століття вони намагалися склеїти кільцеподібні молекули в ланцюг, щоб отримати нові покращені молекули. Прогрес зупинила дорожнеча та складність – хімікам не вдалося довести технологію до рівня, щоб можна було отримувати достатню кількість таких молекул.
У 1983 році французькі дослідники під керівництвом Жана П’єра Суважа, який також є одним із трьох цьогорічних лауреатів, досягли суттєвого прориву. Вони з’єднали дві молекули навколо центрального іону міді. Це стало першою ланкою в ланцюзі, і французькі дослідники змогли нарощувати його.
Фрезер Стоддарт потім ще поглибив досягнення, коли синтезував стержні наномасштабу з тупиковими кінцями. Навколо них він огорнув іншу молекулу. «Кільце може рухатися вперед та назад між двома кінцями. Це вимикач, і його можна вбудувати в машину», – пояснив Стоддарт.
Ці молекули відомі як ротаксани, і вони стали основою для багатьох наномашин, які створив Стоддарт з колегами. Одна з таких – наноліфт, який здатний підняти себе на відстань у 0,7 нанометра від поверхні. Інша – крихітний м’яз, у якому ротаксани згинають тонку стрічку із золота.
«Ми тяжко працювали, щоб знайти практичне застосування в молекулярній електроніці», – говорить Стоддарт. Він разом з Джимом Хісом з Університету Каліфорнії сьогодні намагається створити крихітний комп’ютерний чіп. Адже головне правило сучасної електроніки – маркетинговий закон Мура, і виробники буквально б’ються, аби встигати за ним.
Традиційна кремнієва електроніка вже досягла свого ліміту, і це може бачити кожен. Наприклад, трирічний ноутбук виконує щоденні завдання так само швидко, як і остання новинка. Молекулярні транзистори можуть дати поштовх для збільшення потужності процесорів.
«До 2007 року ми мали 160 кілобітів пам’яті. Проблема з нею була лише в невеликому терміні життя. Сьогодні ми шукаємо способи збільшити її ресурс, – говорить Стоддарт. – Нещодавно ми випустили статтю саме на цю тему».
Третій лауреат – Бен Ферінга з нідерландського Університету Гронінгена – розробив перший молекулярний мотор, який також став проривом. Адже зазвичай положення молекул – це випадкова справа. Але в 1999 році Ферінга з колегами відкрив спосіб, як змусити молекули обертатися в потрібному напрямку.
У 2011 році науковець створив повнопривідний автомобіль. Хіба що машина була нанорозмірів, а її молекулярне шасі мало чотири мотори, які одночасно були й колесами.
Наномашини стають популярнішими
Сьогодні багато науковців поглиблюють уже наявні досягнення. У 2013 році команда під керівництвом Девіда Лейга з Університету Манчестера створила наноробота, який міг хапати амінокислоти. Вони є головними цеглинами будь-якої живої клітини. А робот ще вмів їх з’єднувати, майже так, як це роблять рибосоми в клітинах. Технологія залишається лабораторним експериментом, але дослідники вже прогнозують, як вона може змінити світ.
«Світ знає про Нобелівську премію, і вона впливає на дослідження. Завдяки цьому ця сфера «розквітне», більше науковців долучаться, вони матимуть більше фінансування. Можна очікувати швидшої появи практичних результатів», – говорить президент Американської спільноти хіміків професор Донна Нельсон.
Завдяки наномашинам можна буде вбудувати в ліки вимикач. Це обіцяє суттєвий прогрес у боротьбі з раком. Адже наявні препарати шкодять здоровим органам на рівні зі шкідливою пухлиною. Наномашини також дозволять подолати одну з сучасних загроз – зниження ефективності антибіотиків. «Сьогодні стоїть складне завдання побороти розвиток стійких до антибіотиків бактерій, – каже один з учнів Ферінги Тібор Кудернак. – Можна, наприклад, активувати антибіотики лише на певний проміжок часу. Коли препарат виходить з організму – його деактивують».
Ще одним перспективним напрямком наномашин є використання двигунів на основі світла. Вони перетворюють енергію фотонів на механічний рух. Це дозволить створити м’яких роботів, у яких твердий метал замінює м’який гнучкий матеріал. «Якщо необхідно маніпулювати крихкими та чутливими об’єктами, з людськими органами включно, ви не хочете, щоб їх хапала жорстка рука робота. Потрібний м’який дотик, і молекулярні системи ідеальні для цього», – пояснює Кудернак.
За матеріалами: BBC
