Наномотомонорельс

Первый в мире грузовой транспорт молекулярного масштаба смог преодолеть расстояние в 500 нанометров вдоль монорельсовой дороги, имеющей соответствующие размеры; путешествие заняло примерно полсекунды. Перефразируя Нила Армстронга, можно сказать, что этот шаг, микроскопический для человека, – огромный прыжок для нанотехнологий.

Уже на заре нанотехнологической науки ученые говорили в первую очередь о перспективах создания молекулярных машин, которые могут выполнять определенные задачи, перемещаться и по команде создавать себе подобных. Ранее разработчикам уже удавалось создавать наноразмерные устройства, выполняющие простейшие команды, и прототипы самособирающихся нанороботов. Работа Адриана Бактольда и его коллег из Каталонского института нанотехнологий в Барселоне – первый серьёзный успех на «транспортном» направлении.

Идея перемещения различных грузов с помощью транспортных молекул, вообще говоря, не изобретение человека. Живые клетки используют такую методику уже не один миллиард лет. Их транспортные механизмы построены на основе белковых молекул, перемещающихся вдоль определенных, заранее намеченных направлений внутри живой системы.

Учёным до сих пор удавалось направленное перемещение наноразмерных объектов лишь вдоль канавок на гладкой поверхности. Бактольду удалось продвинуться существенно дальше. Работа учёного и его коллег принята к публикации в Science.

Основа успеха – один из самых распиаренных наноматериалов, углеродные нанотрубки. Собственно, первый в мире наномонорельс состоит из пары таких трубок. Испанским учёным удалось насадить один толстый и короткий фрагмент нанотрубки на другой – более тонкий и длинный. Получилось что-то наподобие муфтового соединения.

В нанометровых масштабах практически отсутствует трение материалов друг о друга, да и само понятие «трения» между молекулами существенно сложнее. Благодаря этому толстый обрезок нанотрубки, этот первый монорельсовый наночелнок, может свободно вращаться вокруг своей оси и перемещаться вдоль самого монорельса.

В 2003 году сотрудники Калифорнийского университета уже использовали такую конструкцию, чтобы сделать нечто вроде нанопропеллера с единственной лопастью – они также смогли насадить одну нанотрубку на другую и прикрепили к «ротору» этой конструкции наноразмерный лепесток слоистого материала. Однако использоваться в качестве транспортного средства такой пропеллер не мог – из-за тепловых колебаний «ротор» и «статор» беспорядочно вращались друг вокруг друга, и направить движение в определённом направлении было практически невозможно.

Заслуга Бактольда состоит в том, что его команде удалось обуздать тепловые колебания, причём не просто как-то подавить их, а использовать энергию этих случайных колебаний для направленного перемещения грузов.

Пары концов целого набора наномонорельсов ученые прикрепили к металлическим поддерживающим платформам, в то время как челноки, насаженные на трубку, висели, по сути, в воздухе. Затем исследователи прикрепили к челнокам по крупинке золота, однако вовсе не в качестве ценного груза, а как часть механизма.

Как несложно догадаться, за этими манипуляциями последовало приложение разности потенциалов к концам углеродного монорельса, в результате чего в системе потек электрический ток. При этом большинство из наночелноков начинали движение в сторону ближайшей металлической пластины, а некоторые оставались вращаться на прежнем месте. Понаблюдать за их перемещением и вращением можно в этих видеороликах: 1, 2, 3, 4 и 5 (QuickTime movies).

Принцип работы «нанодвигателя» оказался очень интересным. Как признался Бактольд в интервью Nature, сначала учёные решили, что перемещение транспортников происходит непосредственно под влиянием движущихся электронов. Однако таким образом невозможно было объяснить, почему при приложении одного и того же напряжения – и следовательно, течении тока одного и того же направления, челноки разъезжались в разные стороны.

Как оказалось, действие электронов сводилось к разогреву материала и увеличению интенсивности его тепловых колебаний. Направление движения наночелноков определялось градиентом температуры вдоль наномонорельса. Градиент поддерживался металлическими пластинами, постоянно отводящими тепло от концов углеродного провода. Таким образом, монорельс колебался наиболее интенсивно в середине, что и заставляло челнок двигаться по направлению к ближайшему концу нанотрубки.

Поток тепла от горячего участка нанотрубки к холодному технически можно описывать как обмен так называемыми фононами – квантами волн упругости. И можно сказать, что именно эти кванты «двигали» наночелнок.

Скорость перемещения челнока в эксперименте – около 1 микрона в секунду. Примерно с такой же и даже чуть большей скоростью работают и транспортные молекулярные системы живых систем. Однако, по подсчётам учёных, подобные наномонорельсовые системы могут двигаться существенно быстрее, преодолевая расстояние в один микрон за одну стомиллионную долю секунды. Для того чтобы создать такие устройства, размер челнока и рельса придётся ещё более уменьшить, полагают создатели прототипа. Кроме того, подойдёт он далеко не для каждого груза – например, частички золота необходимый для повышения скорости нагрев нанотрубки уже не выдержат.