Нобель з хімії за наномашини

Річард ван Ноорден, Давид Кастельвеккі

Жан-П'єр Соваж, Фрейзер Стоддарт та Бернард Ферінґа розділять цьогорічну Нобелівську премію з хімії. Високу нагороду науковці дістали «за створення і синтез молекулярних машин».

Нобелівські лауреати з хімії 2016 р. (зліва направо): Фрейзер Стоддарт, Бернард Ферінґа, Жан-П'єр Соваж

Жан-П'єр Соваж зі Страсбурзького університету (Франція), Фрейзер Стоддарт, американець шотландського походження з Північно-Західного університету в Еванстоні (Іллінойс), та Бернард Ферінґа з Ґронінґенського університету (Нідерланди) розділять премію за дослідження 1980–1990-х років, у яких вони вперше спробували мініатюризувати двигуни.

Троє науковців навчилися створювати вузли, човники, ротори, ланцюги, помпи, осі, вимикачі, засоби зберігання даних і навіть наноавтомобілі. Усе це завбільшки з молекулу. Наномашини ще чекають свого застосування, але експерти прогнозують, що воно буде надзвичайно широким — від засобів транспортування ліків до комп'ютерної пам'яті.

«Це, звичайно, лиш перші кроки в цьому напрямку, але коли ви вже маєте двигун і знаєте, як ним керувати, то вже можете думати про усі можливі функції», — сказав Ферінґа в інтерв'ю Нобелівському комітету. На його думку, молекулярні машини можна буде використовувати як мініатюрних роботів, які доправлятимуть ліки в організмі прямо в ракові клітини. Або, наприклад, як елементи «розумних матеріалів», здатних адаптовуватися чи змінюватися у відповідь на зовнішні сиґнали.

Створенню наномашин та вивченню їхніх властивостей сьогодні в світі присвячуються лише кілька лабораторій, каже Дін Астум'ян, дослідник теорії молекулярних машин з Університету штату Мен. Але, на його думку, галузь дістане поштовх від цьогорічної премії, а «визнання від Нобелівського комітету дозволить залучити до неї найкращі молоді голови». Він певен, що наномашини знайдуть своє практичне застосування протягом найближчих 25 років.

У 1983 р. дослідники під керівництвом Соважа створили зв'язані між собою ланцюги і кільця з молекул, так звані катени. Це був перший крок у напрямку створення пов'язаних молекулярних частин, необхідних для молекулярного двигуна. У такий спосіб група Соважа продемонструвала, як ефективно поєднувати між собою молекули, причому механічно, а не хімічно.

У 1991 р. Стоддард створив молекулярний човник — кільцеподібну молекулу, нанизану на вісь, звану ротаксаном. Кільце могло рухатися вздовж осі, на краях якої помістили замикачі. Вчений також відкрив спосіб, як контролювати цей процес, використовуючи зміни в кислотності, освітленні та температурі середовища.

Відтоді команда Стоддарда використала аналогічні ротаксани для того, щоб створити молекулярний «ліфт», здатний підійматися над поверхнею (менш ніж на нанометр), а також штучний «м'яз», в якому ротаксан міг згинати дуже тонку плівку. Крім того, дослідники використали мільйони ротаксанів для створення пристрою зберігання даних, в якому вони перемикалися між «1» та «0».

У 1999 р. Ферінґа вперше спроетував синтетичний молекулярний двигун — єдину молекулу з елементами лопатей, пов'язаних вуглецевими подвійними зв'язками. Під впливом світла зв'язки руйнувалися і лопаті могли обертатися. Він також продемонстрував, що такі нанорозмірні двигуни можуть мати і макроскопічний ефект, переміщаючи поміщений зверху скляний прут. Однак найцікавіший проект Ферінґи — створений за цим принципом чотириколісний наноавтомобіль.

Дослідження цьогорічних нобелівських лауреатів, а також інших науковців, які вивчають нанороботів, мають важливе теоретичне значення і поглиблють наше розуміння природи. Адже вони демонструють, що всі молекулярні машини, які урухомлюють хімічні реакції — і біологічні, і штучні, — працюють на підставі однакових принципів: вони здійснюють селективний відбір погойдувань броунівського руху, а не просто «штовхаються» ними.

Коли під чес прес-конференції з нагоди присудження премії репортери запитали Бернарда Ферінґу про практичне застосування його творінь, він порівняв їх із винаходом братів Райт: «Понад сто років тому люди запитували "Навіщо нам літаючі машини?". Сьогодні в нас є і "Боїнг-747", і "Аеробус". Я такої самої думки про нанодвигуни. Їхні можливості безмежні».