Стартовали первые гонки на молекулярных машинах

Молекулярными машинами называют конструкции из молекул, способные выполнять простейшие механические операции под контролем человека. В качестве средств управления наномашинами обычно используют электрический ток, тепло и свет. К примеру, для предстоящих гонок будут использоваться молекулы, способные перемещаться по поверхности круглой золотой подложки под действием электрического тока.

Каждая из команд получит по отдельному сектору для своей машины, а управление будет осуществляться с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Перемещение наномашин по поверхности будет происходить благодаря энергии электронов, переносимых на молекулу с острия иглы под напряжением. Воздействовать на молекулы механическим способом запрещено. Победителем станет команда, преодолевшая максимальное расстояние.

Гоночная трасса получит довольно незатейливую конфигурацию: прямая длиной 20 нанометров, затем 45-градусный поворот, прямая длиной 50 нанометров, снова 45-градусный поворот и финишная прямая длиной 20 нанометров. Продолжительность соревнований — 38 часов. Что интересно, в случае наноаварии молекулярную машину можно заменить, но иглу сканирующего туннельного микроскопа менять запрещено.

Конструкции наномашин у разных команд отличаются. К примеру, французы разработали плоский удлинённый болид с четырьмя «колёсами», швейцарская команда сделала транспортное средство «на воздушной подушке», а немцы соорудили целый наномеханизм из четырёх молекул с водородными связями. Гонки состоятся в лаборатории Центра разработки материалов и структурных исследований (CNRS).

Следить за соревнованиями молекулярных машин можно будет на сайте CNRS или на официальном канале в Youtube. Гонки стартуют 28 апреля ровно в полдень.

На первом этапе участники должны поместить молекулярные машины на свою часть медальона. Изначально машины представляют собой обыкновенные порошки или существуют в виде растворов, в одном грамме такого материала могут быть сотни миллиардов молекул. Поместить машины на медальон можно либо сублимацией (испарение и, затем, осаждение на золотую поверхность) или осаждением из раствора.

Затем, с помощью сканирующего туннельного микроскопа команды должны поместить одну из машин в начало трассы. Этот тип микроскопов представляет собой очень острую иглу (на ее острие может быть всего несколько атомов), с помощью которой можно ощупывать поверхность образца, подавая на нее напряжение и измеряющего ток туннелирования электронов. Уникальность микроскопа, используемого в гонках в том, что в нем одновременно и независимо работают четыре таких иглы.

А вот так выглядит установка, в которой происходят молекулярные гонки

Перемещение молекулярных машин по трассе, согласно правилам гонки должно проходить под действием электрических импульсов. Машину нельзя подталкивать иглой механически. При этом принцип движения "спортивных болидов" может быть разным, но, как правило, молекулы меняют свою геометрическую конфигурацию благодаря энергии от электрона, попавшего с иглы. Скорость движения машин соответствует примерно 0,3-0,6 нанометрам на каждый электрический импульс. Главная сложность — необходимость отслеживать положение молекул на треке, один скан может занимать несколько минут.

Идея конкурса возникла в 2013 году при анализе научных публикаций различных групп. Всего заявки на участие в гонках подали девять проектов, шесть из них соответствовали необходимым критериям. На сайте мероприятия опубликована информация о молекулярных машинах команд.

Так, французская команда создала для участия "зеленный багги" - плоскую вытянутую молекулу, по бокам от которой располагаются четыре колеса, каждое из которых похоже на винт с тремя лопастями. "Зеленый" в названии — отсылка к цвету раствора вещества.

Молекула швейцарской команды скорее представляет собой аналог "аппарата на воздушной подушке" — молекула толилтерпиридина лишена колес и перемещается по поверхности благодаря слабым взаимодействиям с ней.

Команда из Германии использует вместо одной молекулы комплекс из сразу четырех частиц, связанных слабыми водородными связями - "вертушку".

Организаторы отмечают, что главная цель гонок - помимо соревнования между научными группами - усовершенствование методов наблюдения за единичными молекулами и контроля их перемещения.