Введение

Наномасштабные машины
Брауновские двигатели как молекулярные машины

Брауновские двигатели – это наномасштабные или молекулярные машины, использующие химические реакции для создания направленного движения в пространстве. Теория, лежащая в основе брауновских двигателей, опирается на феномен броуновского движения – случайное движение частиц, взвешенных в жидкости (жидкости или газе), возникающее в результате их столкновений с быстродвижущимися молекулами в этой среде. В наномасштабе (1–100 нм) вязкость преобладает над инерцией, а чрезвычайно высокий уровень теплового шума в окружающей среде делает обычное направленное движение практически невозможным, поскольку силы, приводящие эти двигатели в нужном направлении, ничтожно малы по сравнению со случайными силами, действующими со стороны среды. Брауновские двигатели специально разработаны для использования этого высокого уровня случайного шума для достижения направленного движения и, следовательно, эффективны только в наномасштабе. Концепция брауновских двигателей относительно нова – она была сформулирована лишь в 1995 году Питером Хенгги, однако существование подобных двигателей в природе могло существовать на протяжении длительного времени и способствовать объяснению важнейших клеточных процессов, требующих движения в наномасштабе, таких как синтез белка и мышечное сокращение. Если это так, то брауновские двигатели могут иметь фундаментальное значение для понимания основ жизни.

20 век

Термин «броуновский двигатель» был первоначально предложен швейцарским физиком-теоретиком Петером Хенгги в 1995 году, а экспериментально подтвержден Жаном Перреном в 1908 году, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году «за работу над дискретным строением материи». Эти разработки заложили основы современных теорий мира наномасштаба. Нанонаука традиционно долгое время оставалась на стыке физических наук – физики и химии, однако более поздние исследования все чаще выходят за рамки этих двух традиционных областей. В 2007 году та же команда представила молекулярный информационный храповик, вдохновленный демоном Максвелла. Важной демонстрацией наноинженерии и нанотехнологий стало создание IBM в 2018 году практического искусственного броуновского двигателя. В частности, был создан энергетический ландшафт путем точного формирования нанофлюидного зазора, а затем переменные потенциалы и осциллирующее электрическое поле использовались для «раскачивания» наночастиц, создавая направленное движение. В ходе эксперимента наночастицы успешно двигались по траектории в форме контура логотипа IBM, что является важной вехой в практическом применении броуновских двигателей и других элементов на наномасштабе. Кроме того, различные институты по всему миру, такие как НанО-Институт Сиднейского университета со штаб-квартирой в Сиднейском наноцентре (SNH) и Швейцарский наноинститут (SNI) при Базельском университете, являются примерами исследовательской деятельности, развивающейся в области нанонауки. Броуновские двигатели остаются ключевой концепцией как для понимания природных молекулярных двигателей, так и для создания полезных наномашин, обеспечивающих направленное движение. Теоретический принцип работы броуновского двигателя объясняется теорией храповика, в которой сильные случайные тепловые флуктуации позволяют частице двигаться в нужном направлении, а энергия расходуется на противодействие силам, вызывающим движение в противоположном направлении. Это движение может быть как линейным, так и вращательным. В биологическом контексте и в той мере, в которой это явление встречается в природе, оно связано с использованием химической энергии из молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Броуновский храповик представляет собой кажущуюся машину вечного движения, которая, казалось бы, нарушает второй закон термодинамики, но впоследствии была опровергнута более детальным анализом Ричарда Фейнмана и других физиков. Отличие реальных броуновских двигателей от вымышленных броуновских храповиков заключается в том, что только в броуновских двигателях происходит подача энергии для создания необходимой силы, удерживающей двигатель на месте и противодействующей тепловому шуму, стремящемуся переместить его в противоположном направлении. Поскольку броуновские двигатели полагаются на случайную природу теплового шума для достижения направленного движения, они являются стохастическими по своей природе, то есть их можно анализировать статистически, но не предсказывать точно.

Примеры в природе

В биологии многое из того, что мы понимаем как белковые молекулярные моторы, на самом деле может оказаться брауновскими моторами. Эти молекулярные моторы обеспечивают критически важные клеточные процессы в живых организмах и, по сути, являются основой самой жизни. Исследователи добились значительного прогресса в изучении этих органических процессов, чтобы понять принципы их работы. Например, молекулярные брауновские моторы в виде различных типов белков существуют в организме человека. Два распространенных биомолекулярных брауновских мотора – АТФ-синтаза, ротационный мотор, и миозин II, линейный мотор. В настоящее время одним из шести ключевых направлений исследований Университета Сиднея является разработка нанороботов для медицины, важной частью которой является создание "фабрики нанодеталей", способной производить наноразмерные брауновские моторы для "активного транспорта внутри организма". Институт прогнозирует, что одним из результатов этих исследований станет "смена парадигмы" в здравоохранении – отход от модели "ремонта поломок" к акценту на профилактику и раннее вмешательство, например, в случае сердечных заболеваний:

Профессор Пол Бэннон, кардиохирург-торакальный хирург с международной репутацией и ведущий медицинский исследователь, подводит итоги преимуществ нанороботов в медицине.