Введение

другие наномобили

Наномобиль – это молекула, разработанная в 2005 году в Университете Райса группой под руководством профессора Джеймса Тура. Несмотря на название, оригинальный наномобиль не содержит молекулярного двигателя и, следовательно, не является полноценным автомобилем. Скорее, он был разработан для ответа на вопрос о том, как фуллерены перемещаются по металлическим поверхностям – катятся или скользят (они катятся). Молекула состоит из "шасси" в форме буквы H, к четырем углам которого прикреплены фуллереновые группы, выполняющие роль колёс. При рассеивании на золотой поверхности молекулы прикрепляются к ней через фуллереновые группы и обнаруживаются с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Ориентацию молекул можно определить, поскольку длина "шасси" немного меньше его ширины. При нагревании поверхности до 200 °C молекулы двигаются вперёд и назад, катясь на своих фуллереновых "колёсах". Наномобиль способен катиться, так как фуллереновое колесо соединено с алкиновой "осью" посредством одинарной углерод-углеродной связи. Атом водорода на соседнем атоме углерода не является существенным препятствием для свободного вращения. При достаточно высокой температуре вращаются четыре углерод-углеродные связи, и машина катится. Иногда направление движения меняется, когда молекула поворачивается. Действие качения было подтверждено профессором Кевином Келли, также из Университета Райса, который потянул молекулу кончиком сканирующего туннельного микроскопа.

Независимый ранний концептуальный вклад

Концепция нанокара, собранного из молекулярных "конструкторов", была впервые предложена М. Т. Михалевичем на Пятой конференции Foresight по молекулярной нанотехнологии (ноябрь 1997 года). Впоследствии расширенная версия была опубликована в Annals of Improbable Research. Эти работы задумывались как не вполне серьезный вклад в фундаментальную дискуссию об ограничениях "снизу вверх" дрекслеровской нанотехнологии и концептуальных пределах, до которых можно довести механистические аналогии, предложенные Эриком Дрекслером. Важной особенностью этой концепции нанокара было то, что все молекулярные компоненты-конструкторы представляли собой известные и синтезированные молекулы (хотя некоторые – весьма экзотические и только недавно открытые, например, стафаны, и особенно – ферроколесо, 1995), в отличие от некоторых диамоноидных структур Дрекслера, которые были лишь постулированы, но никогда не синтезированы; а также система привода, встроенная в ферроколесо и приводимая в действие неоднородным или зависящим от времени магнитным полем подложки – концепция "двигателя в колесе".

Нанопрокат

[[Файл:Нанодрагстер2.png|thumb|Химическая структура нанодрагстера. Меньшие колеса – это p-карборан с метильными группами, а большие – фуллерен C60. Эта конструкция улучшает предыдущие разработки нанокаров и является шагом к созданию молекулярных машин. Название происходит от сходства нанокара с драгстером, поскольку его смещенная компоновка колес имеет более короткую ось с меньшими колесами спереди и более длинную ось с большими колесами сзади. Нанокар был разработан в Институте нанотехнологий и наноматериалов им. Ричарда Э. Смолли при Университете Райса командой Джеймса Тура, Кевина Келли и других исследователей, участвовавших в проекте. Предыдущий нанокар имел размеры 3–4 нанометра, что лишь немного превышает ширину нити ДНК, и был примерно в 20 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти нанокары были созданы на основе углеродных фуллеренов в качестве четырех колес, и для их движения требовалась определенная температура поверхности. С другой стороны, нанокар с p-карборановыми колесами движется, как будто скользит по льду, а не катится. Эти наблюдения привели к созданию нанокаров, сочетающих оба типа колес. Нанодрагстер в 50 000 раз тоньше человеческого волоса и развивает максимальную скорость 0,014 миллиметра в час (0,0006 дюйма в час или 3,89 × 10−9 м/с). Задние колеса представляют собой сферические молекулы фуллерена, или бакиболы, состоящие из шестидесяти атомов углерода, которые притягиваются к трассе, состоящей из очень тонкого слоя золота. Эта конструкция также позволила команде Тура работать с устройством при более низких температурах. Нанодрагстер и другие наномашины предназначены для транспортировки объектов. Технологию можно использовать в производстве компьютерных схем и электронных компонентов, а также совместно с фармацевтическими препаратами внутри человеческого организма. Тур также предположил, что знания, полученные в ходе исследований нанокаров, помогут в будущем создать эффективные каталитические системы.

Электрическое направленное движение четырехколесных молекул на металлической поверхности

Кудернак и др. описали специально разработанную молекулу с четырьмя моторизованными "колесами". Разместив молекулу на медной поверхности и обеспечив ее достаточной энергией от электронов сканирующего туннельного микроскопа, они смогли заставить некоторые из молекул двигаться в определенном направлении, подобно автомобилю, став первой отдельной молекулой, способной продолжать движение в одном и том же направлении по поверхности. Неупругое туннелирование электронов вызывает конформационные изменения в роторах и приводит молекулу в движение по медной поверхности. Изменяя направление вращения отдельных моторных блоков, самодвижущаяся молекулярная "четырехколесная" структура может следовать случайным или преимущественно линейным траекториям. Эта конструкция является отправной точкой для изучения более сложных молекулярных механических систем, возможно, с полным контролем над направлением их движения. Этот нанокар, работающий от электричества, был создан под руководством химика из Гронингенского университета Бернарда Л. Феринги, который в 2016 году вместе с Жаном Пьером Соважем и Дж. Фрейзером Стоддартом был удостоен Нобелевской премии по химии за его новаторские работы в области наномоторов.

Моторная наномобиль

Будущая наномобиль с синтетическим молекулярным двигателем была разработана Жаном Франсуа Морином и др. Она оснащена карборановыми колесами и гелиценовым синтетическим молекулярным двигателем, приводимым в действие светом. Хотя моторный блок демонстрирует однонаправленное вращение в растворе, движение, вызванное светом, на поверхности пока не наблюдалось. В будущем подвижность в воде и других жидкостях также может быть достигнута с помощью молекулярного пропеллера.