Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Наноөлшедегі машиналар
Браун моторлары молекулалық машиналар ретінде
Nanoscale machine
Brownian motors as molecular machines
Браун моторлары – химиялық реакцияларды пайдаланып, кеңістікте бағытталған қозғалысты тудыратын наноөлшедегі немесе молекулалық машиналар. Браун моторларының теориясы Браун қозғалысы құбылысына негізделген, сұйықтықта (сұйық немесе газ) ішіндегі жылдам қозғалатын молекулалармен соқтығысу нәтижесінде пайда болатын, сұйықтыққа (сұйық немесе газ) тараған бөлшектердің кездейсоқ қозғалысы. Наноөлшемде (1-100 нм) тұтқырлық инерциядан басым, ал қоршаған ортадағы жылу шуының өте жоғары деңгейі дәстүрлі бағытталған қозғалысты іс жүзінде мүмкін емес етеді, себебі осы моторларды қажетті бағытта итермелейтін күштер, қоршаған ортаның кездейсоқ күштерімен салыстырғанда өте шағын. Браун моторлары осы жоғары деңгейдегі кездейсоқ шуды пайдаланып бағытталған қозғалысқа қол жеткізу үшін жұмыс істейді, сондықтан олар тек наноөлшемде ғана тиімді. Браун моторларының тұжырымы 1995 жылы Питер Хенгги тарапынан ғана ұсынылған, бірақ мұндай моторлар табиғатта ұзақ уақыттан бері бар болуы мүмкін және наноөлшемде қозғалысты қажет ететін маңызды жасушалық процестерді түсіндіруге көмектеседі, мысалы, ақуыз синтезі және бұлшықет жиырылуы. Егер осылай болса, Браун моторлары тіршілік негізіне әсер етуі мүмкін.
Brownian motors are nanoscale or molecular machines that use chemical reactions to generate directed motion in space. The theory behind Brownian motors relies on the phenomenon of Brownian motion, random motion of particles suspended in a fluid (a liquid or a gas) resulting from their collision with the fast moving molecules in the fluid. On the nanoscale (1 100 nm), viscosity dominates inertia, and the extremely high degree of thermal noise in the environment makes conventional directed motion all but impossible, because the forces impelling these motors in the desired direction are minuscule when compared to the random forces exerted by the environment. Brownian motors operate specifically to utilise this high level of random noise to achieve directed motion, and as such are only viable on the nanoscale. The concept of Brownian motors is a recent one, having only been coined in 1995 by Peter Hänggi, but the existence of such motors in nature may have existed for a very long time and help to explain crucial cellular processes that require movement at the nanoscale, such as protein synthesis and muscular contraction. If this is the case, Brownian motors may have implications for the foundations of life itself.
20 ғасыр
"Браун қозғалтқышы" термині алғаш рет 1995 жылы швейцариялық теориялық физик Питер Хенгги ұсынған. Оны 1908 жылы Жан Перрин тәжірибелік тұрғыдан растаған, ал ол 1926 жылы "материяның үздіксіз емес құрылымын зерттегені үшін" физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Бұл жетістіктер қазіргі наноөлшемдік теориялардың негізін қалауға көмектесті. Наноғылым дәстүрлі түрде физика және химия сияқты физикалық ғылымдардың тоғысқан жерінде ұзақ уақыттан бері орналасқан, бірақ зерттеулердегі соңғы дамулар оны осы екі саладан тысқары шығарып, жаңа деңгейге көтерді. 2007 жылы сол команда Максвелл демонынан шабыттанған молекулалық ақпараттық бұранда жасағанын хабарлады. Наноинженерлік пен нанотехнологияның тағы бір маңызды мысалы – 2018 жылы IBM компаниясы жасаған практикалық жасанды Браун қозғалтқышы. Бұл үшін наноқозғалыс кеңістігін дәл қалыптау арқылы энергиялық ландшафт құрылды, содан кейін баламалы потенциалдар мен осцилляциялық электр өрісі нанобөлшектерді бағытталған қозғалысқа келтіру үшін пайдаланылды. Тәжірибе IBM логотипінің контурын еске түсіретін жолмен нанобөлшектердің қозғалуын қамтамасыз етті, бұл Браун қозғалтқыштары мен наноөлшемдегі басқа да элементтерді практикалық қолданудағы маңызды қадам болды. Сонымен қатар, Сидней университетінің Наноғылым институты (SNH), Сидней наноғылым орталығында (SNH) және Базель университетіндегі Швейцарияның Наноғылым институты (SNI) сияқты әлемнің әртүрлі мекемелері наноғылым саласындағы зерттеу қызметінің өркендеуін көрсетеді. Браун қозғалтқыштары табиғи молекулалық қозғалтқыштарды түсіну және бағытталған қозғалысты қамтитын пайдалы наноөлшемдік машиналарды құру үшін маңызды концепция болып табылады. Браун қозғалтқышының теориялық жұмысын ратчет теориясы арқылы түсіндіруге болады, онда күшті кездейсоқ жылу тербелістері бөлшекті қажетті бағытта жылжытуға мүмкіндік береді, ал энергия кері бағыттағы қозғалысқа қарсы тұру үшін жұмсалады. Бұл қозғалыс сызықтық және бұрылыстық болуы мүмкін. Биологиялық мағынада және осы құбылыстың табиғатта кездесу жиілігіне сәйкес, бұл энергия аденозин трифосфаты (АТФ) молекуласынан алынады. Браун ратчеті – термодинамиканың екінші заңын бұзатын сияқты көрінетін мәңгілік қозғалыс машинасы, бірақ Ричард Фейнман және басқа физиктер жүргізген терең талдаулар оның дұрыс еместігін көрсетті. Нағыз Браун қозғалтқыштары мен ойдан шығарылған Браун ратчеттерінің арасындағы ерекшелік – Браун қозғалтқыштарында ғана қозғалтқыштың орнында тұруын қамтамасыз ету үшін, оны кері бағытта жылжытуға тырысатын жылу шуына қарсы тұру үшін энергия енгізіледі. Браун қозғалтқыштары бағытталған қозғалысқа жету үшін жылу шуының кездейсоқ сипатына сүйенетіндіктен, олардың мінез-құлқы статистикалық, яғни оларды статистикалық түрде талдауға болады, бірақ оларды дәл болжау мүмкін емес.
The term “Brownian motor” was originally invented by Swiss theoretical physicist Peter Hänggi in 1995. and this was verified experimentally by Jean Perrin in 1908, who was awarded the Nobel Prize in Physics in 1926 "for his work on the discontinuous structure of matter". These developments helped to create the fundamentals of the present theories of the nanoscale world. Nanoscience has traditionally long remained at the intersection of the physical sciences of physics and chemistry, but more recent developments in research increasingly position it beyond the scope of either of these two traditional fields. In 2007 the same team reported a Maxwell's Demon inspired molecular information ratchet. Another important demonstration of nanoengineering and nanotechnology was the building of a practical artificial Brownian motor by IBM in 2018. Specifically, an energy landscape was created by accurately shaping a nanofluidic slit, and alternate potentials and an oscillating electric field were then used to “rock” nanoparticles to produce directed motion. The experiment successfully made the nanoparticles move along a track in the shape of the outline of the IBM logo, and serves as an important milestone in the practical use of Brownian motors and other elements at the nanoscale. Additionally, various institutions around the world, such as the University of Sydney Nano Institute, headquartered at the Sydney Nanoscience Hub (SNH), and the Swiss Nanoscience Institute (SNI) at the University of Basel, are examples of the research activity emerging in the field of nanoscience. Brownian motors remain a central concept in both the understanding of natural molecular motors and the construction of useful nanoscale machines that involve directed motion. The theoretical operation of the Brownian motor can be explained by ratchet theory, wherein strong random thermal fluctuations are allowed to move the particle in the desired direction, while energy is expended to counteract forces that would produce motion in the opposite direction. This motion can be both linear and rotational. In the biological sense and in the extent to which this phenomenon appears in nature, this exists as chemical energy is sourced from the molecule adenosine triphosphate (ATP). The Brownian ratchet is an apparent perpetual motion machine that appears to violate the Second Law of Thermodynamics, but was later debunked upon more detailed analysis by Richard Feynman and other physicists. The difference between real Brownian motors and fictional Brownian ratchets is that only in Brownian motors is there an input of energy in order to provide the necessary force to hold the motor in place to counteract the thermal noise that try to move the motor in the opposite direction. Because Brownian motors rely on the random nature of thermal noise to achieve directed motion, they are stochastic in nature, in that they can be analysed statistically but not predicted precisely.
Табиғаттағы мысалдар
Биологияда біз белгілі белок негізіндегі молекулалық қозғалтқыштардың көп бөлігі шындығында Браун қозғалтқыштары болуы мүмкін. Бұл молекулалық қозғалтқыштар тірі организмдердегі маңызды жасушалық процестерді жеңілдетеді және тіршіліктің өзіне негіз болады. Зерттеушілер осы органикалық процестерді зерттеп, олардың ішкі механизмдерін түсінуде маңызды прогресс жасады. Мысалы, адам организмінде әртүрлі ақуыз түрлерінде молекулалық Браун қозғалтқыштары бар. Екі кең таралған биомолекулалық Браун қозғалтқышы – АТФ синтетазасы, бұл айналмалы қозғалтқыш, және миозин II, бұл сызықтық қозғалтқыш. Қазіргі уақытта Сидней Университетінің Нано институтының алты "Үлкен міндетінің" бірі – денсаулық сақтау үшін нанороботтарды жасау, оның маңызды бөлігі – "наноөлшемді бөлшектерді өндіруші фабрика", ол "денеде белсенді тасымалдау" үшін наноөлшемді Браун қозғалтқыштарын өндіре алады. Институттың болжамы бойынша, бұл зерттеулер денсаулық сақтауда "парадигмалық өзгеріске" әкеледі, "ақауды түзету" моделінен "алдын алу және ерте араласуға" көшуге ықпал етеді, мысалы, жүрек ауруларында: профессор Пол Баннон, халықаралық деңгейдегі ересектердің кардиоторакалық хирург және жетекші медициналық зерттеуші, денсаулықта нанороботиканың артықшылықтарын баяндайды.
In biology, much of what we understand to be protein based molecular motors may also in fact be Brownian motors. These molecular motors facilitate critical cellular processes in living organisms and, indeed, are fundamental to life itself. Researchers have made significant advances in terms of examining these organic processes to gain insight into their inner workings. For example, molecular Brownian motors in the form of several different types of protein exist within humans. Two common biomolecular Brownian motors are ATP synthase, a rotary motor, and myosin II, a linear motor. Currently, one of the six current "Grand Challenges" of the University of Sydney Nano Institute is to develop nanorobotics for health, a key aspect of which is a “nanoscale parts foundry” that can produce nanoscale Brownian motors for “active transport around the body”. The Institute predicts that among the implications of this research is a "paradigm shift" in healthcare "away from the "break fix" model to a focus on prevention and early intervention," such as in the case with heart disease:
Professor Paul Bannon, an adult cardiothoracic surgeon of international standing and leading medical researcher, summarises the benefits of nanorobotics in health.