Наномашины

Наномаши́ны (молекулярные машины), супрамолекулярные устройства, способные преобразовывать различные виды энергии (световую, тепловую, электрическую, химическую и др.) в механическую энергию, что приводит к совершению определённой работы.

Молекулярные машины делят на биологические и искусственные.

Биологические наномашины представляют собой мультибелковые комплексы и отличаются сложностью устройства, высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и высокой селективностью. Наиболее известными биологическими молекулярными машинами являются миозин (сокращение мышц), кинезин и динеин (перемещение компонентов внутри клеток), АТФ-синтаза (обмен энергии и веществ), ДНК-полимераза (репликация ДНК) и РНК-полимераза (синтез РНК).

Предпосылками к созданию искусственных молекулярных машин стали открытия катенанов Ж. П. Соважем в 1983 г., ротаксанов Дж. Ф. Стоддартом в 1991 г. и создание Б. Феринге молекулярного двигателя (1999), способного вращаться под действием света. За свои открытия учёные были удостоены Нобелевской премии по химии в 2016 г.

В настоящее время синтезированы: молекулярные двигатели, винты, переключатели, весы, пинцеты, шарниры, насосы, шестерёнки и т. д.

У каждой молекулярной машины есть 3 типа компонентов:

1. Активные. Способствуют преобразованию одного вида энергии в другую (принятие электрона, фотона, иона или др.).

В качестве активных компонентов используются молекулы, способные к переносу электрона (металлопорфирины, виологены, тетратиафульвалены, политиофены). Фоточувствительными элементами служат хромофорные органические молекулы (стильбены, хромены, фотохромные производные спиртосоединений и производные азобензола).

2. Структурные. Определяют пространственное положение всего молекулярного остова.

3. Вспомогательные. Модифицируют функции структурных или активных компонентов.

С помощью света можно легко относительно других методов (подвод тепла, электронов или др.) управлять молекулярными устройствами и наномашинами. Преимуществами использования света является возможность одновременного управления большим количеством молекулярных машин и лёгкость в регулировании параметров света – длины волны и количества фотонов, приходящих на светочувствительный элемент. Фоточувствительная система состоит из двух основных блоков: фотоантенны, поглощающей квант света, и функционального блока, который воспринимает изменения, произошедшие в фотоантенне после поглощения кванта света. В качестве функционального блока в искусственных светочувствительных системах используют краун-соединения – макроциклические соединения, содержащие гетероатомы с неподелёнными электронными парами, которые способны образовывать координационные связи с ионами металлов.

Молекулярные машины и устройства, созданные на их основе, могут быть полезными: при диагностике ионов, загрязняющих окружающую среду, и в биологических жидкостях; при адресной доставке лекарственных средств; при создании новых систем оптической записи информации, в частности с использованием фотопереключаемых полимерных плёнок и монослоёв (плёнки Ленгмюра-Блоджетт); в молекулярной электронике; в качестве переносчиков катионов металлов в фотоуправляемом транспорте ионов через искусственные мембраны и в живой клетке и пр.

Важнейшим направлением в развитии молекулярных машин является создание молекулярного ассемблера (наноассемблера) – устройства способного манипулировать атомами и молекулами и создавать молекулярные машины по заранее вводимому в наноассемблер плану. Примером молекулярного ассемблера из живой природы является рибосома, участвующая в биосинтезе белка на основе генетической информации.