Физики измерили распределение температуры вдоль одной отдельно взятой молекулы

Линейная молекула между двумя золотыми электродами (сверху нагретый калориметр, снизу комнатная температура). Красная стрелка показывает стекание тепла. Иллюстрация Physorg

Большая международная группа ученых из Физико-технического института в Москве, университетов в Гренобле и Аахене, а также Франкфурта-на-Майне провела изящные исследования нового оптопротеина KR2. Этот белок был получен от морской бактерии Krokinobacter eikastus. Выяснилось, в частности, что эта белковая «помпа» накачивает в клетку ионы натрия, при этом мутантная ее форма – ионы калия.

При закислении среды белковый комплекс, состоящий из пяти субъединиц, начинает проводить и протоны, то есть ядра водорода. Ион-проводящие каналы KR2, открывающиеся под действием лазерного импульса, интересны с точки зрения исследования функций нервных и мышечных клеток. Отчет об этой работе опубликовал журнал Science. Авторы представили 13 молекулярных структур бактериального родопсина (родопсины сетчатки реагируют на свет, генерируя нервный импульс, поступающий по зрительному нерву в мозг) с атомным разрешением. Это открывает хорошие перспективы использования KR2 в биомедицинских и других областях исследований.

Известно, что при интенсивной работе коры головного мозга выделяется тепло. Поэтому слои нейронов и локализованы на самой периферии полушарий мозга. Тепло – это результат деградации энергии химических связей глюкозы. Окисление глюкозы происходит в митохондриях клеточной цитоплазмы. В результате синтезируется молекула АТФ – основной энергоноситель клетки. Например, при работе мышц по достижении определенного уровня энергозатрат в дело вступает белок UCP (UnCoupling Protein), разобщающий производство АТФ и тепла для согревания тела.

Вместе с тем до самого последнего времени никто не измерил перенос тепла по одиночной молекуле. Проблему, похоже, решили в Мичиганском университете г. Энн-Арбор (США). Ученые создали нанокалориметр и, подобно проволоке, натянули между его золотыми контактами молекулу алкан-дитиола (насыщенного углеводорода с двумя атомами серы). Они нагревали калориметр и его наноэлектрод на 20–40 градусов выше комнатной температуры, оставляя второй электрод холодным. Оказалось, что независимо от числа атомов углерода в цепочке молекулы (от 2 до 10) рассеяние тепловой энергии составляло 20 пиковатт/градус Цельсия (триллионная доля ватта). Таким образом, открывается перспектива создания молекулярного компьютера с регулируемым «теплопроизводством». Но есть и более прозаическое использование тепловой энергии.

Производство солнечных панелей и ветряков не только дорого, но и экологически небезопасно. Вместе с тем помимо приливной энергии есть еще и неисчерпаемый источник геотермальных вод и газов – Камчатка и Исландия, Йелоустон, серные бани Тбилиси и Будапешта. Использованию тепла земной коры, однако, мешает нерешенность некоторых фундаментальных проблем прямой конверсии тепла в электричество.

Специалисты Токийского университета предложили сенсибилизированные термальные ячейки-батареи (СТБ). Под сенсибилизацией понимается увеличение эффективности солнечных панелей путем добавления специальных красителей. Следующим шагом явилось создание контура с двумя цепями – внутренней и внешней, – в котором краситель заменен на полупроводник. СТБ, созданная в Токио, – это «сэндвич» из трех слоев: электронно-транспортный (ЕТМ), германий и слой твердого электролита с ионами меди. Последняя быстро окисляется, отдавая электроны, но также быстро образует защитный слой патины, приостанавливая процесс. Все это учитывали японцы. Ионы меди, «мигрировавшие» с одной поверхности электролита на другую, становятся источником медленных электронов, замыкая тем самым электрическую цепь. Получается нечто похожее на вечный двигатель, подпитываемый геотермальной энергией.