Вчені з США, Японії та Франції синтезували і охарактеризували хіральні молекулярні пропелери, здатні обертатися переважно в один бік, що відповідає напрямку закручування лопатей. Дослідникам вдалося привести лопаті в рух, впливаючи як електричним полем за допомогою скануючого тунельного мікроскопа, так і механічно - підштовхнувши їх зондом. Роботу опубліковано в журналі.
З моменту отримання Жан-П'єром Соважем, Фрейзером Стоддартом і Бернардом Ферінгом Нобелівської премії за проектування і синтез молекулярних машин у 2016 році вчені створили безліч різних молекулярних роторів, моторів, вузлів та інших рухомих конструкцій з молекул (і навіть влаштували гонки молекулярних машин). Одним з цікавих представників подібних молекул є молекулярні пропелери. У природі вони, наприклад, допомагають пересуватися деяким бактеріям або відповідають за транспорт всередині клітини. На відміну від природних, штучні пропелери виявляються здатними до роботи в більш жорстких умовах. Однак часто, коли рухомі молекули поміщають на поверхню, адсорбція значно знижує ефективність роботи молекулярних машин.
Юань Чжан (Yuan Zhang) з колегами з Аргоннської національної лабораторії в США розробили і протестували хіральний молекулярний пропелер, здатний утримуватися на поверхні металу і крутити лопаті в заданому напрямку. Запуск обертання і його візуалізацію забезпечували за допомогою скануючого тунельного мікроскопа.
Лопаті такого пропелера складаються з трьох нахилених індазольних груп, розташованих як тренога, яка стоїть на атомі рутенію, з тіоефірними групами на протилежному кінці. Статор (нерухома частина) утворений циклопентадієнловою серединою з п'ятьма пара-бромфенільними радикалами. Атом рутенію координує лопаті і нерухому частину пропелера, а атом бору зв'язує три індазольні групи зверху.
Вчені «поставили» пропелери на чисту золоту поверхню і відразу помітили обертання деяких з них. Ймовірно, теплової енергії, що відповідає температурі в 80 кельвін, вистачало, щоб змусити лопаті рухатися.
Статистичний аналіз 500 синтезованих молекул вказав на те, що ймовірності закручування лопатей уздовж осі, що з'єднує центр циклопентадієнілу, атом рутенію і бору, по або проти годинникової стрілки приблизно однакові. У розчині в нормальних умовах автори взагалі не спостерігали хіральності, оскільки індазольні групи активно коливалися в обидва боки. Нахил лопатей пропелерів на металевій поверхні визначався тим, як розташовувалися фенільні кільця статора на ній. Тобто молекулярний статор грав роль храповика, який дозволяв крутитися лопатям тільки в одному напрямку.
Дослідники поміщали зонд мікроскопа над центром молекул на постійній висоті і прикладали напругу від нуля до мінус трьох з половиною вольт. Коли пропелер починав крутитися, значення тунельного струму різко змінювалося. За зміни положення лопатей на зображеннях мікроскопа після розкручування, автори переконалися, що пропелер дійсно працював.
Пропелер вдалося закрутити навіть механічно. Для цього зонд помістили над поверхнею золота поруч з однією з лопатей і штовхали її по або проти напрямку закручування відносно центральної осі молекули. Такий спосіб запуску обертання призводив як до переміщення тільки однієї лопаті, так і всього пропелера.
Зі 168 пропелерів, які вдалося запустити, тільки 132 оберталися в потрібний (згідно з напрямком закручування лопатей) бік. Однак автори все одно вважають рух пропелерів переважно односпрямованим, оскільки всі «неправильні» пропелери змогли пройти тільки один щабель обертання (близько 24 градусів), тоді як деякі (16) з «правильних» змогли пройти два. Більше того, механічною ініціацією руху не вдалося змусити лопату повернутися навіть на один крок обертання в «неправильну» сторону.
За словами авторів, головне в цьому дослідженні те, що воно показало можливість побудови хіральних структур на поверхні, і що саме статор виявився відповідальним за те, як закручувалися лопаті. Модифікуючи поверхню так, щоб частини статора (отже, і лопаті) орієнтувалися в потрібний бік, можна проектувати і створювати хіральні рухомі молекули потрібної будови.
Про інші молекулярні машини можна прочитати в нашому матеріалі «Машина з пробірки».