Нано автомобильдер және олардың қозғалыс механизмі
Nanocar
Нано машина: 2005 ж. Rice университетінде жасалған молекулалық құрылым. Толық шары (fullerene) дөңгелектері бар, металл бетінде қалай қозғалатынын зерттейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
басқа нанокөліктер
other nanocars
Нанокөлік – 2005 жылы Райс университетінде профессор Джеймс Тур басқаратын топ жасаған молекула. Атауына қарамастан, бастапқы нанокөлік молекулалық қозғалтқышты қамтымайды, демек, ол шын мәнінде көлік емес. Оның орнына, ол металл беттерінде фуллерендердің қалай қозғалатынына жауап беру үшін жасалды; нақтырақ айтқанда, олар домалап жүреді ме, әлде сығақтап жылғады ма (домалап жүреді). Молекула H әрпіндей пішіндес «шассиден» тұрады, оның төрт бұрышында дөңгелектер рөлін атқаратын фуллерен топтары бекітілген. Алтын бетіне себілген кезде молекулалар өздерінің фуллерен топтары арқылы бетке жабысады және сканерлі түйіндемелі микроскопия арқылы анықталады. Молекуланың бағытын оның кадр ұзындығы енінен сәл қысқа болғандықтан анықтауға болады. Бетті 200 °C-қа дейін қыздырғанда молекулалар фуллерен «дөңгелектерінде» домалап, алға-артқа қозғалады. Нанокөлік фуллерен дөңгелегі алкин «осьпен» көміртекті-көміртекті бір байланыс арқылы бекітілгендіктен домалай алады. Жақын орналасқан көміртектің сутегі еркін айналуға кедергі келтірмейді. Температура жеткілікті жоғары болғанда төрт көміртекті-көміртекті байланыс айналып, көлік домалайды. Кейде молекуланың қозғалыс бағыты өзгереді, ол бұрылып жүреді. Бұл әрекетті Райс университетінің профессоры Кевин Келли де, сканерлі түйіндемелі микроскопияның ұшымен молекуланы тартып растады.
The nanocar is a molecule designed in 2005 at Rice University by a group headed by Professor James Tour. Despite the name, the original nanocar does not contain a molecular motor, hence, it is not really a car. Rather, it was designed to answer the question of how fullerenes move about on metal surfaces; specifically, whether they roll or slide (they roll). The molecule consists of an H shaped 'chassis' with fullerene groups attached at the four corners to act as wheels. When dispersed on a gold surface, the molecules attach themselves to the surface via their fullerene groups and are detected via scanning tunneling microscopy. One can deduce their orientation as the frame length is a little shorter than its width. Upon heating the surface to 200 °C the molecules move forward and back as they roll on their fullerene "wheels". The nanocar is able to roll about because the fullerene wheel is fitted to the alkyne "axle" through a carbon carbon single bond. The hydrogen on the neighboring carbon is no great obstacle to free rotation. When the temperature is high enough, the four carbon carbon bonds rotate and the car rolls about. Occasionally the direction of movement changes as the molecule pivots. The rolling action was confirmed by Professor Kevin Kelly, also at Rice, by pulling the molecule with the tip of the STM.
Тәуелсіз ерте тұжырымдамалық үлесі
Молекулалық "тінкер ойыншықтардан" құралған нанокөлік тұжырымын алғаш рет М. Т. Микалевич Молекулалық нанотехнология жөніндегі бесінші алдын ала конференциясында (1997 жылдың қарашасы) ұсынды. Бұдан кейін, оның толықтырылған нұсқасы Annals of Improbable Research журналында жарияланды. Бұл мақалалар Эрик Дрекслер ұсынған механикалық аналогиялардың қаншалықты дамытылуы мүмкін екені және Дрекслерлік нанотехнологияның төменнен құрастыру шектері туралы негізгі пікірталасқа айқын үлес қосу мақсатында жазылған болатын. Нанокөлік тұжырымының ерекшелігі – барлық молекулалық компоненттердің белгілі және синтезделген молекулалар болуы (әрине, кейбіреулері өте экзотикалық және жақында ғана ашылған, мысалы, штафандар, сондай-ақ 1995 жылғы темір доңғалақ), Дрекслерлік алмазоидтық құрылымдардан өзгеше, олар тек теориялық тұрғыда қарастырылған және ешқашан синтезделмеген; ал қозғалтқыш жүйесі темір доңғалақтың ішіне орналастырылып, субстраттың біртекті емес немесе уақытқа байланысты магниттік өрісімен икемделетін "доңғалақтағы қозғалтқыш" тұжырымы болды.
The concept of a nanocar built out of molecular "tinkertoys" was first hypothesized by M. T. Michalewicz at the Fifth Foresight Conference on Molecular Nanotechnology (November 1997). Subsequently, an expanded version was published in Annals of Improbable Research. These papers were supposed to be a not so serious contribution to a fundamental debate on the limits of bottom up Drexlerian nanotechnology and conceptual limits of how far mechanistic analogies advanced by Eric Drexler could be carried out. The important feature of this nanocar concept was the fact that all molecular component tinkertoys were known and synthesized molecules (alas, some very exotic and only recently discovered, e. g. staffanes, and notably – ferric wheel, 1995), in contrast to some Drexlerian diamondoid structures that were only postulated and never synthesized; and the drive system that was embedded in a ferric wheel and driven by inhomogeneous or time dependent magnetic field of a substrate – an "engine in a wheel" concept.
Наноқапшық
[[Файл:Нанодрагстер2.png|thumb|Нанодрагстердің химиялық құрылымы. Кіші дөңгелектер метил топтары бар p-карбораннан, ал үлкен дөңгелектер – C60 фуллереннен тұрады. Бұл дизайн бұрынғы нанокөліктерге қарағанда жақсарылған және молекулалық машиналар жасауға қадам болып табылады. Атау нанокөліктің драгстерге ұқсастығынан туындаған, себебі оның дөңгелектерінің орналасуы алдыңғы жағында кіші дөңгелектері бар қысқа осьті және артқы жағында үлкен дөңгелектері бар ұзын осьті қамтиды. Нанокөлік Райс университетінің Ричард Э. Смолли атындағы Наноғылым және технология институтында Джеймс Тур, Кевин Келли және оның зерттеулеріне қатысқан басқа да әріптестері жасаған. Бұрынғы нанокөлік 3-4 нанометр болатын, бұл ДНК жіпшесінің енінен сәл ғана артық және адам шашынан 20 000 есе жұқа. Бұл нанокөліктер төрт дөңгелек ретінде көміртекті фуллерен доптарымен (бакиболлдармен) құрастырылды, ал оларды орналастырған бет қозғалысқа келтіру үшін 0,9°C температураны қажет етті. Ал p-карборан дөңгелектері бар нанокөлік дөңгелектейтін емес, мұз үстінде сырғанағандай қозғалады. Осындай байқаулар екі түрлі дөңгелек дизайны бар нанокөліктерді жасауға әкелді. Нанодрагстер адам шашынан 50 000 есе жұқа және сағатына 0,014 миллиметр (0,0006 дюйм немесе 3,89×10−9 м/с) ең жоғары жылдамдыққа ие. Артқы дөңгелектер – бұл алтынның өте жұқа қабатынан жасалған трассаға тартылатын, әрқайсысы алпыс көміртектен тұратын шар тәрізді фуллерен молекулалары. Бұл дизайн Турдың командасына құрылғыны төмен температурада жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Нанодрагстер және басқа наномашиналар заттарды тасымалдау үшін жасалған. Бұл технология компьютерлік тізбектер мен электрондық компоненттерді өндіруде немесе адам ағзасындағы фармацевтикалық препараттармен бірге қолданылуы мүмкін. Тур сондай-ақ нанокөлік зерттеулерінен алынған білімнің болашақта тиімді катализдік жүйелерді құруға көмектесетінін болжады.]]
[[File:Nanodragster2. png|thumb|Chemical structure of the nanodragster. The smaller wheels are p carborane with methyl groups and the larger wheels are |C60 fullerene. The design improves on previous nanocar designs and is a step towards creating molecular machines. The name comes from the nanocar's resemblance to a dragster, as its staggered wheel fitment has a shorter axle with smaller wheels in the front and a larger axle with larger wheels in the back. The nanocar was developed at Rice University’s Richard E. Smalley Institute Nanoscale Science and Technology by the team of James Tour, Kevin Kelly and other colleagues involved in its research. The previous nanocar developed was 3 to 4 nanometers which was a little over[the width of?] a strand of DNA and was around 20,000 times thinner than a human hair. These nanocars were built with carbon buckyballs as their four wheels, and the surface on which they were placed required a temperature of to get it moving. On the other hand, a nanocar which utilized p carborane wheels moves as if sliding on ice, rather than rolling. Such observations led to the production of nanocars which had both wheel designs. The nanodragster is 50,000 times thinner than a human hair and has a top speed of 0.014 millimeters per hour (0.0006 in/h or 3.89×10−9 m/s). The rear wheels are spherical fullerene molecules, or buckyballs, composed of sixty carbon atoms each, which are attracted to a dragstrip that is made up of a very fine layer of gold. This design also enabled Tour’s team to operate the device at lower temperatures. The nanodragster and other nano machines are designed for use in transporting items. The technology can be used in manufacturing computer circuits and electronic components, or in conjunction with pharmaceuticals inside the human body. Tour also speculated that the knowledge gained from the nanocar research would help build efficient catalytic systems in the future.
Төрт дөңгелекті молекуланың металл бетке электрмен қозғалатын бағытты қозғалысы
Кудернак және тағы басқалар төрт моторлы "дөңгелектері" бар арнайы молекуланы сипаттады. Молекуланы мыс бетіне орналастырып, сканерлік туннельдік микроскоптың электрондарынан жеткілікті энергия бергенде, олар кейбір молекулаларды автомобиль сияқты белгілі бір бағытта қозғалта алды – бұл бет бойынша бір бағытта үздіксіз қозғалатын алғашқы жеке молекула болды. Икемсіз электрондық туннельдеу роторларда конформациялық өзгерістерді тудырып, молекуланы мыс бетімен жылжытады. Жеке моторлық бөлімдердің айналу қозғалысының бағытын өзгерту арқылы, өзі-өзімен қозғалатын молекулалық "төрт дөңгелекті" құрылым кездейсоқ немесе басым сызықтық траекторияларды ұстана алады. Бұл дизайн одан да күрделі молекулалық механикалық жүйелерді зерттеуге бастау береді, мүмкін олардың қозғалыс бағытын толық бақылауға мүмкіндік береді. Бұл электрмен жұмыс істейтін нанокөлік Гронинген университетінің химигі Бернард Л. Феринганың жетекшілігімен жасалды, ол 2016 жылы Жан-Пьер Соваж және Дж. Фрейзер Стоддартпен бірге наномоторлар саласындағы пионерлік еңбегі үшін химия бойынша Нобель сыйлығын алды.
Kudernac et al. described a specially designed molecule that has four motorized "wheels". By depositing the molecule on a copper surface and providing them with sufficient energy from electrons of a scanning tunnelling microscope they were able to drive some of the molecules in a specific direction, much like a car, being the first single molecule capable to continue moving in the same direction across a surface. Inelastic electron tunnelling induces conformational changes in the rotors and propels the molecule across a copper surface. By changing the direction of the rotary motion of individual motor units, the self propelling molecular 'four wheeler' structure can follow random or preferentially linear trajectories. This design provides a starting point for the exploration of more sophisticated molecular mechanical systems, perhaps with complete control over their direction of motion. This electrically driven nanocar was built under supervision of University of Groningen chemist Bernard L. Feringa, who was awarded the Nobel Prize for Chemistry in 2016 for his pioneering work on nanomotors, together with Jean Pierre Sauvage and J. Fraser Stoddart.
Моторлы нанокөлік
Жан Франсуа Морин және авторлар тобы синтетикалық молекулалық қозғалтқышпен жабдықталған болашақ нанокөлікті жасады. Ол карборан доңғалақтарымен және жарық энергиясымен жұмыс істейтін синтетикалық молекулалық гелилен қозғалтқышымен жабдықталған. Мотордың ерітіндіде бір бағытта айналуы байқалғанмен, бетте жарықпен қозғалатын қозғалыс әлі көрілген жоқ. Су және басқа сұйықтықтардағы жылжу болашақта молекулалық пропеллер арқылы мүмкін болады.
A future nanocar with a synthetic molecular motor has been developed by Jean Francois Morin et al. It is fitted with carborane wheels and a light powered helicene synthetic molecular motor. Although the motor moiety displayed unidirectional rotation in solution, light driven motion on a surface has yet to be observed. Mobility in water and other liquids can be also realized by a molecular propeller in the future.