Что такое молекулярный двигатель

ru.knowledgr.com

Синтетические молекулярные моторы представляют собой молекулярные машины, способные к непрерывному направленному вращению под подводом энергии. Хотя термин «молекулярный мотор» относился к естественно присутствующему белку, который вызывает движение (через белковую динамику), некоторые группы также используют этот термин при упоминании небиологических, непептидных синтетических моторов. Многие химики добиваются синтеза таких molecular motors. Molecular динамическое моделирование синтетического molecular rotor состоит из трех molecules в нанопоре (внешний диаметер 6,7 нм) при 250 К. Основные требования для синтетического двигателя Reatitive 360 ° движения, потребления энергии и единого вращения. Первые два усилия в этом направлении, химический двигатель от Dr. T. Ross из Бостонского колледжа с коллегами и легким двигателем Бен Феринга и коллегами были опубликованы в 1999 году в том же номере Nature.

По состоянию на 2020 год самая тонкая, атомарно-точная молекулярная машина имеет ротор, который из четырёх атомов.

Вращающиеся молекулярные моторы с химическим приводом

Пример прототипа химически управляемого вращающегося молекулярного мотора от компании «М» и соработников. Пример прототипа синтетического химически приводимого вращающегося молекулярного мотора был представлен компанией «В энд соработники» в 1999 году. Их система составлена из трёхкратного триптиценового ротора и гелицена, и способна выполнять однотипное вращение на 120 °.

Это вращение происходит в пять шагов. Аминогруппу, присутствующую в триптиценовой группе, превращают в изоцианатную группу конденсацией с фосгеном (а). Затем термическое или спонтанное вращение вокруг центральной связи приводит изоцианатную группу к приближенности гидроксильной группы, расположенной на гелиценовой группе (b), что позволяет этим двум группам взаимодействовать друг с другом (c). Эта реакция необратимо перекрывает систему в виде выпрямленного циклического уретана, который имеет более высокую энергию и, таким образом, энергетически ближе к барьеру вращающейся энергии, чем исходное состояние. Поэтому дальнейшее вращение триптиценовой массы требует лишь относительно небольшого количества термической активации для того, чтобы преодолеть этот барьер, тем самым преодолевая стрин (d). Наконец, расщепление уретановой группы восстанавливает функциональные группы амина и спирта в молекуле (е).

Результатом такой последовательности событий является равномерное вращение на 120 ° триптиценовой группы относительно гелиценовой группы. Дополнительное вращение триптиценового ротора вперед или назад тормозится гелиценовой подвижностью, которая выполняет функцию, аналогичную функции собачки чета. Однородность системы является результатом как асимметрического перекоса гелиценовой массы, так и спайна циклического уретана, который образуется в C. Эта спайка может быть снижена только вращением триптиценового ротора в d, так как как как обратное вращение, так и внутренний процесс d являются энергетически неблагоприятными. В этом отношении предпочтение для направления вращения определяется как положениями функциональных групп, так и формой гелицены и, таким образом, встроено в конструкцию молькулы, а не ориентировано внешними факторами.

Мотор, изготовленный специалистами по эксплуатации, является элегантным примером того, как химическая энергия может быть использована для управляемого, равномерного вращательного движения, процесса, который напоминает потребление АТФ в организмах, чтобы подпитывать многочисленные процессы. Однако он действительно страдает от серьёзной осадки: последовательность событий, приводящая к повороту на 120 °, не повторяется. Поэтому и коллеги искали способы расширения системы, чтобы эта последовательность могла выполняться повторно. К сожалению, их попытки достичь этой цели не увенчались успехом, и в настоящее время проект был прекращен. В 2016 году группа Дэвида Кга изобрела первый автономный синтетический мотор на химическом топливе.

Были описаны некоторые другие примеры синтетических химически приводимых вращающихся молекулярных моторов, которые все работают путем последовательного добавления реагентов, включая использование стереоселективного раскрытия кольца рацемического биариллактона с использованием хиральных реагентов, что приводит к направленному вращению на 90 ° одного арила относительно другого арила. Бранко и коллеги сообщили, что этот подход, за которым следует дополнительный этап замыкания кольца, может быть использован для сопровождения неповторяющегося поворота на 180 °. Феринга и коллеги использовали этот подход в своей конструкции молекулы, которая может повторять вращение на 360 °. Полное вращение этого молекулярного двигателя происходит в четыре этапа. На стадиях А и С вращение арильной группы является, хотя возможна спиральная инверсия. На стадиях В и D арил может вращаться относительно нафталена со стерическими взаимодействиями, предотвращающими прохождение арила через нафтален. Ротационный цикл состоит из четырех химических стадий, которые реализуют преобразование одной стадии в следующую. Стадии 1 и 3 представляют собой реакции размыкания кольца с использованием хирального реагента для регулирования направления вращения арила. Стадии 2 и 4 — снятие защиты фенола с последующим образованием региоселективного кольца.

Химически приводимый вращающийся молекулярный мотор фирмы Feringa и коллег.

Вращающиеся молекулярные моторы с легким приводом

Ротационный цикл легкоприводного ротационного молекулярного двигателя фирмы Feringa и соработников. Доктор Бен Л. Феринга из Университета Грони, Нидерланды, сообщил о создании однотипного молекулярного ротора. Их молекулярная моторная система под углом 380 ° состоит из бис-гелицена, соединенного алкеновой двойной связью осевой хиральностью и имеющего два стереоцентра.

Один цикл равномерного вращения занимает 4 стадии реакции. Первая стадия представляет собой низкотемпературную эндотермическую фотоизомеризацию транс (P, P) изомера 1 к cis (M, M) 2, где P обозначает правостороннюю спираль, а M — левостороннюю спираль. В этом процессе две осевые метильные группы превращают в две менее стерически благоприятные экваториальные метильные группы.

Путем повышения температуры до 20oC эти метильные группы преобразуются обратно экзотермически в (P, P) cis осевые группы (3) в спиральной инверсии. Поскольку аксиальный изомер более стабилен, чем экваториальный изомер, обратное вращение представляет собой кровоточасть. Вторая фотоизомеризация превращает (P, P) cis 3 в (M, M) трансы 4, снова сопровождая образование стерически неблагоприятных экваториальных метильных групп. Процесс термической изомеризации при 60 ° C закрывает цикл на 360 ° назад к осевым участкам.

Основным препятствием для преодоления является длительное время реакции для полного вращения в этих системах, которое не сравнивается со скоростями вращения, отображаемыми двигательными протонами в биологических системах. В самой быстрой на сегодняшний день системе с флюореновой нижней половиной период полураспада тепловой спирали инверсии составляет 0,005 секунды. Это соединение синтезируется с использованием реакции Фон-Фогга. Считается, что в этой молекуле самая медленная стадия его вращения, термически индуцированная спиральная инверсия, протекает гораздо быстрее, потому что большая трет-бутильная группа делает нестойкий изомер еще менее стабильным, чем при использовании метильной группы. Это происходит потому, что нестойкий изомер более дестабилизирован, чем переходное состояние, которое приводит к спиральной инверсии. Различное поведение двух молекул оценивается тем, что время полураспада соединения с метильной группой вместо трет-бутильной группы составляет 3,2 мин.

Принцип Феринги был включен в прототип нанокара. Автомобиль синтезирован имеет гелиценово- двигатель с олиго (фениленэтиниленовыми) погонами и четырьмя карборановыми колёсами и, как ожидается, сможет передвигаться по твёрдой поверхности со сканированием тоннелирования микроскопным мониторингом, хотя до сих пор этого не наблюдалось. Двигатель не работает с фулерленовыми колесами, потому что они гасят фотохимию мотора. Было также показано, что моторы феринги остаются работоспособными при химическом присоединении к твердым ацам.

В 2016 году за работу над молекулярными моторами Феринга был удостоен премии Нобеля.

Эмпирическая одномолькульного электродвигателя

Сообщалось о двигателе, работающем на одной молекуле, изготовленном из одной молекулы н-бутилметилсульфида (C5H12S). Молекулу прикрепляют к однокристаллическому куску хемосорбции.

Что такое молекулярный двигатель и как его уменьшить

Молекулярный двигатель — это наноразмерный мотор, который работает аналогично своему «коллеге» в макромире, то есть преобразует химическую энергию в движение. Точно так же он состоит из ротора и статора — подвижной и неподвижной частей.

Молекулярные двигатели встречаются в природе — их ярким примером выступают моторные белки, которые преобразуют химическую энергию в движение (динеины, миозины, кинезины).

Человечество уже очень давно пытается создать нечто подобное, но тут важно, чтобы статор позволял ротору вращаться в одном направлении — тогда двигатель будет выполнять полезную работу. Более того, ученые также пытаются достичь предельно минимальных размеров молекулярного мотора — это нужно для создания наноразмерных устройств, используемых в различных областях.

Один из молекулярных двигателей — двигатель Крала, где движение происходит из-за туннелирования электронов. Он эффективен лишь в лабораторных условиях. Изображение: Petr Kral, University of Illinois at Chicago

В результате последнего исследования, проведенного в Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (EMPA), удалось создать самый миниатюрный на сегодня молекулярный мотор. Он состоит всего из 16 атомов и, самое главное, его части могут вращаться в одном направлении. Более того, двигатель способен работать непрерывно, в отличие от всех предыдущих искусственно созданных моторов, которые совершают лишь один цикл вращения. Данные о разработке появились в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Швейцарские ученые использовали в своем механизме статор с 6 атомами палладия и таким же количеством атомов галлия, которые находились в треугольном основании — это вращательно-симметричная структура, которая, однако, не является зеркально-симметричной.

В качестве ротора ученые взяли адсорбированную симметричную молекулу ацетилена, состоящую из 4-х атомов. Вращение ацетиленового ротора происходит непрерывно по законам квантового туннелирования и кинетики.

«Таким образом, двигатель имеет 99% курсовую устойчивость, что отличает его от других подобных молекулярных моторов», — говорит Оливер Гренинг, руководитель исследовательской группы.

Новый молекулярный мотор состоит из 16 атомов: на трехслойном кластере (3 атома палладия, 6 атомов галлия и сверху еще 3 атома палладия) сорбирована вращающаяся молекула ацетилена из 4-х атомов. Изображение: Samuel Stolz, Oliver Gröning et al.

Поведение созданного двигателя ученые исследовали методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) при температуре 5 К и давлении ниже 50 фемтобар. В результате исследования выяснилось, что строение зонда микроскопа не влияет на вращение ротора из ацетилена— его задает исключительно статор. В 96% случаев ротор вращался в одну сторону, причем за 100 секунд он прокрутился 23 раза против часовой стрелки.

Наномотор может вращаться благодаря тепловой и электроэнергии. Тепловая энергия вызывает хаотические движения ротора, тогда как электрическая, генерируемая наконечником микроскопа, вызывает направленные вращения. Таким образом, учёные выявили два варианта вращения: туннельный, при котором частота вращения не зависит от температуры, напряжения и силы тока, и классический, когда зависимость наблюдается. Однако преобладание однонаправленного движения исследователи пока не могут объяснить.

Полученный молекулярный мотор — это не просто возможность ученых заявить о себе. Разработку можно применять в медицине, научных исследованиях, технологиях передачи данных. Также исследователи предполагают, что двигатель поможет им изучить процессы и причины рассеивания энергии в процессах квантового туннелирования.

В Швейцарии создали самый маленький в мире молекулярный мотор

Harvard Medical School

Сотрудники Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий вместе с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны представили самый маленький в мире молекулярный двигатель, который состоит всего из 16 атомов и может вращаться в одном направлении. Новое устройство приближает исследователей к предельному размеру молекулярных двигателей. Статья о разработке опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Молекулярные машины работают аналогично их двойнику в макромире: они преобразуют энергию в направленное движение. Такие молекулярные двигатели также существуют в природе. Ими являются, например, миозины. Это моторные белки, которые участвуют в сокращении мышц и транспорте других молекул между клетками.

Подобно двигателю в макромире, 16-атомный двигатель состоит из статора и ротора, то есть неподвижной и движущейся частей. Ротор вращается на поверхности статора и может занимать до шести различных позиций. Чтобы такой двигатель действительно выполнял полезную работу, важно, чтобы статор позволял ротору двигаться только в одном направлении.

Поскольку энергия, которая приводит в движение мотор, может поступать с различных направлений, сам двигатель должен определять направление вращения с помощью храповика. Однако атомный двигатель работает противоположно тому, что происходит с храповиком в макроскопическом мире. Собачка на храповике движется вверх по плоской кромке и фиксируется в направлении крутого края. Однако для атомного варианта этого механизма требуется меньше энергии для перемещения вверх по крутому краю зубчатого колеса, чем по плоскому. Поэтому движение в обычном «блокирующем» направлении будет для такого механизма выгоднее, чем в обратном. Так что движение практически возможно только в одном направлении.

Авторы новой работы смогли реализовать этот обратный храповой механизм в молекулярном двигателе, используя статор с треугольным основанием, состоящим из шести атомов палладия и шести атомов галлия. Хитрость здесь заключается в том, что эта структура симметрична вращательно, но не зеркально. В результате ротор, в роли которого выступила симметричная молекула ацетилена, может вращаться непрерывно, хотя вращение по часовой стрелке и против нее должно быть различным.

Такой молекулярный мотор может питаться как от тепловой, так и от электрической энергии. Тепловая энергия индуцирует направленное вращение двигателя, которое затем переходит во вращение в случайных направлениях. Например, при комнатной температуре ротор начинает вращаться совершенно хаотично со скоростью в несколько миллионов оборотов в секунду. Электрическое поле, создаваемое электронным сканирующим микроскопом, наоборот, может создавать направленное вращение. Энергии одного электрона достаточно, чтобы заставить роторы вращаться на одну шестую оборота. Чем больше количество подаваемой энергии, тем выше частота движения. Однако в то же время увеличивается вероятность того, что ротор будет двигаться в случайном направлении из-за того, что большее количество энергии может сделать собачку бесполезной.

Согласно законам классической физики, существует минимальное количество энергии, необходимое для приведения ротора в движение против сопротивления собачки. Если подаваемой электрической или тепловой энергии будет недостаточно, ротор должен будет остановиться. Однако исследователи смогли наблюдать независимо постоянную частоту вращения в одном направлении даже ниже этого предела — при температурах ниже 17 K (-256 °C) — или приложенном напряжении менее 30 милливольт.

Молекулярный двигатель

Владельцы патента RU 2312250:

Изобретение относится к конструкциям двигателей нанометрового размера, основанных на одной из транспортных систем живой клетки, и может быть использовано в наномашинах. Молекулярный двигатель содержит ротор с закрепленными микротрубочками, статор с закрепленными молекулами кинезина, в первом исполнении ротор и статор выполнены из углеродных нанотрубок, причем первая углеродная нанотрубка смотана в кольцо в виде жгута, а вторая обтягивает этот жгут. В следующем конструктивном исполнении дополнительно введена третья углеродная нанотрубка, являющаяся внутренней спиралью, поддерживающей изнутри жгут первой углеродной нанотрубки. Для более надежной фиксации молекул кинезина поверх ротора выполнен желоб из углеродных нанотрубок, периодически обтянутых спиралью из углеродных нанотрубок. Каркас в виде спирали может быть выполнен из нанонити. Желоб и обтягивающая его спираль могут быть изготовлены из нанонити. Изобретение позволяет обеспечить меньшую массу молекулярного двигателя и, следовательно, более высокое значение удельной мощности. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к конструкциям двигателей нанометрового размера, основанных на одной из транспортных систем живой клетки, и может быть использовано в наномашинах.

Аналогом является молекулярный двигатель [Патент на изобретение: Molecular motors. US 2002/0083710, A1, Schneider, Thomas D.; Lyakhov, Ilya Gennaddiyevich; заявлено 04.07.2002.], содержащий внутренний статор с закрепленными на его поверхности миозинами и внешний ротор с закрепленными на его внутренней поверхности актинами, а также он содержит каналы в стенке ротора для подвода аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ как биологического топлива для взаимодействия протеиновой пары — актина и миозина.

Недостатком указанного двигателя является неравномерность подачи топлива и низкая удельная мощность.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является молекулярный двигатель [Заявка на изобретение: «Молекулярный двигатель», №2004134864 (037919), Шестаков Игорь Александрович, Вахрушев Александр Васильевич, приоритет 29.11.2004], содержащий корпус, статор, внешний ротор, резервуар для аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ, регулятор давления и концентрации АТФ, где в качестве биологической рабочей пары применяются кинезин и микротрубочка, при этом кинезины — биологические линейные двигатели — закреплены на наружной поверхности статора по окружности в ряд, а микротрубочки, состоящие из мономерных глобул — α-тубулин и β-тубулин, закреплены в пазу на внутренней поверхности ротора. Статор — цилиндр, закрытый с двух сторон полусферическими оболочками, имеет отверстия в стенке для выхода АТФ, расположенные вблизи кинезинов. Внутри статора установлен золотник, обеспечивающий при поворотах вокруг продольной оси статора открытие и закрытие отверстий для выхода АТФ к кинезинам. В торцевой части золотника закреплен трубопровод подачи АТФ.

Недостатком указанного двигателя является низкая удельная мощность. Это связано, прежде всего, с большой массой деталей молекулярного двигателя.

Задача изобретения — устранение указанного недостатка, то есть получение конструкции с более высоким значением удельной мощности.

Задача решается тем, что предлагаемый молекулярный двигатель содержит ротор с закрепленными микротрубочками, статор с закрепленными молекулами кинезина, отличающийся от прототипа тем, что в первом исполнении ротор и статор выполнены из углеродных нанотрубок, которые в комплексе прочнее алмаза и имеют меньшую плотность, причем первая углеродная нанотрубка смотана в кольцо в виде жгута, а вторая, в виде спирали, обтягивает этот жгут. Следующее конструктивное исполнение отличается тем, что дополнительно введена третья углеродная нанотрубка, являющаяся внутренней спиралью, поддерживающей изнутри жгут первой углеродной нанотрубки. Для более надежной фиксации молекул кинезина поверх ротора выполнен желоб из углеродных нанотрубок, периодически обтянутых спиралью из углеродных нанотрубок. Спирали могут быть выполнены из нанонитей. Желоб и обтягивающая его спираль могут быть изготовлены из нанонитей.

Такое выполнение позволяет обеспечить меньшую массу молекулярного двигателя по сравнению с прототипом и, следовательно, более высокое значение удельной мощности.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 — поперечный разрез двигателя, на фиг.2 — разрез А-А фиг.1 (первое конструктивное исполнение), на фиг.3 — разрез А-А фиг.1 (второе конструктивное исполнение), на фиг.4 — статор в продольном сечении двигателя, имеющий в своей конструкции желоб, периодически обтянутый углеродными нанотрубками, на фиг.5 — вид Б фиг.4, на фиг.6 — статор в продольном сечении двигателя, где в конструкции используется нанонить, на фиг.7 — статор в продольном сечении двигателя, имеющий в своей конструкции желоб из нанонити, периодически обтянутый нанонитью.

Молекулярный двигатель содержит ротор 1 с закрепленными микротрубочками 2, статор 3 с закрепленными молекулами кинезина 4 (Фиг.1), отличающийся от прототипа тем, что в первом исполнении ротор и статор выполнены из углеродных нанотрубок, причем первая углеродная нанотрубка 5 смотана в кольцо в виде жгута 6, а вторая углеродная нанотрубка 7, в виде спирали 8, обтягивает этот жгут (Фиг.2). Следующее конструктивное исполнение отличается тем, что дополнительно введена третья углеродная нанотрубка 9, являющаяся внутренней спиралью 10, поддерживающей изнутри жгут 6 первой углеродной нанотрубки 5 (Фиг.3). Для более надежной фиксации молекул кинезина 4 поверх статора 3 из углеродных нанотрубок 11 выполнен желоб 12, периодически обтянутый углеродными нанотрубками 13 в виде спирали 14 (Фиг.4, Фиг.5). Спирали 8 и 10 в могут быть выполнены из нанонитей 15 и 16 (Фиг.6). Желоб 12 и обтягивающая его спираль 14 могут быть изготовлены из нанонитей 17 и 18 (Фиг.7).

Двигатель работает следующим образом. Пространство между статором и ротором заполняется аденозинтрифосфорной кислотой, которая используется в качестве топлива молекулами кинезина. Молекулы кинезина перемещают микротрубочки, связанные с ротором. Вращающий момент отводится от ротора.

1. Молекулярный двигатель, содержащий ротор с закрепленными микротрубочками, статор с закрепленными молекулами кинезина, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены из углеродных нанотрубок, причем первая углеродная нанотрубка смотана в кольцо в виде жгута, а вторая, в виде спирали, обтягивает этот жгут.

2. Молекулярный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введена третья углеродная нанотрубка, являющаяся внутренней спиралью, поддерживающей изнутри жгут первой углеродной нанотрубки.

3. Молекулярный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверх ротора выполнен желоб из углеродных нанотрубок, периодически обтянутых спиралью из углеродных нанотрубок, и используемый для фиксации молекул кинезина.

4. Молекулярный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что спирали выполнены из нанонитей.

5. Молекулярный двигатель по п.3, отличающийся тем, что желоб и обтягивающая его спираль изготовлены из нанонитей.