Лазерный ключ зажигания к броуновским моторам

Принцип работы предложенного линейного фотомотора. Изображение пресс-службы МФТИ

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН и Института химии поверхности Национальной академии наук Украины предложили модель дипольного фотомотора – крошечного управляемого устройства, активируемого светом. Такой «наномотор» способен двигаться в заданном направлении с рекордно высокой скоростью и тащить на себе некоторый груз, например наночастицы внутри живых клеток. Результаты работы опубликованы в престижном научном журнале The Journal of Chemical Physics.

Идею ученые подсмотрели у природы, так же как и Жан-Пьер Соваж, Бернард Феринга и Фрезер Стоддарт – лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 года за создание молекулярных машин. Но у наших фотонаномоторов скорость на три порядка больше!

«Рекордные характеристики дипольных фотомоторов на основе полупроводниковых нанокластеров позволяют надеяться, что эти наномашины не только заполнят имеющуюся брешь в семействе линейных фотомоторов, но и найдут самое широкое применение повсюду, где требуется скоростной транспорт наночастиц: в химии и физике – для создания новых аналитических и синтетических инструментов, в биологии и медицине – для доставки лекарств к больным участкам живых организмов, для генной терапии и во многих других задачах», – говорит руководитель коллектива, профессор кафедры химической физики МФТИ, заведующий лабораторией функциональных нанокомпозитов ИХФ РАН Леонид Трахтенберг.

Сотрудничество Леонида Трахтенберга и Виктора Розенбаума, заведующего отделом теории наноструктурных систем ИХП НАНУ, привело к созданию теории линейных фотомоторов. Она позволяет конструировать наномашины, движением которых можно управлять с помощью лазера. Ученые смогли описать связь между параметрами этих устройств и их важнейшей рабочей характеристикой – скоростью.

Прототипами управляемых наномашин в живой природе служат так называемые броуновские (молекулярные) моторы – белковые вещества (или, если угодно, – устройства), которые под действием неравновесных флуктуаций различной природы преобразуют хаотическое броуновское движение в направленное поступательное, возвратно-поступательное или вращательное движение. Броуновские моторы обеспечивают сократительную активность тканей (работу мышц), подвижность клеток (движение жгутиковых бактерий), внутри- и межклеточный транспорт органелл и сравнительно крупных частиц вещества (питание клетки и утилизация отходов ее деятельности). Эти процессы совершаются с удивительно высоким КПД, приближающимся к 100%.

«Понимание основ деятельности таких природных моторов позволяет не только воспроизводить их, но и конструировать новые высокоэффективные искусственные образцы с разнообразными функциями, вплоть до создания нанороботов, способных выполнять различные задания, – подчеркивает Виктор Розенбаум. – Уже в течение нескольких десятилетий специалисты в разных областях, объединив свои усилия, весьма успешно работают над созданием управляемых наномашин. Признанием актуальности и успешности этих работ, их большого значения для научно-технического прогресса стало присуждение в 2016 году Нобелевской премии по химии «за конструирование и синтез молекулярных машин».

Работу броуновских моторов можно инициировать различными способами – например, с помощью химических реакций, температуры, электрических или световых импульсов. В последнем случае речь идет о фотомоторах.

Около десяти лет назад была разработана модель линейного дипольного фотомотора. Его принцип действия основан на разности дипольных моментов молекулы (частицы). Чем больше разность дипольных моментов, тем выше скорость и эффективность такого мотора.

При облучении мотора лазерным импульсом происходит его активация. Импульс должен попасть в резонанс с электронами внутри наноцилиндра; далее происходит разделение заряда в полупроводниковом наноцилиндре, он электростатически взаимодействует с полярной подложкой. Циклическое включение и выключение света приводит к зависимости потенциальной энергии взаимодействия цилиндра с подложкой от времени. Эта зависимость и заставляет наномотор двигаться в заданном направлении (см. рисунок).

Фотомоторы на основе неорганических наночастиц гораздо эффективнее и «быстрее» своих аналогов, построенных на органических молекулах. Так, в цилиндрическом полупроводниковом нанокластере до действия светового импульса практически отсутствует дипольный момент, а фотовозбуждение приводит к перемещению электрона из объема на поверхность и возникновению гигантского дипольного момента.

«Предложенная модель фотомотора на основе полупроводникового наноцилиндра имеет оптимальные параметры и соответственно рекордно высокую скорость – порядка 1 мм в секунду, что примерно на три порядка выше, чем у природных белковых моторов или у аналогичных моделей на основе органических молекул», – сообщают авторы публикации.