0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое молекулярный двигатель

Молекулярные роторы

Молекулярные двигатели — наноразмерные машины, способные осуществлять вращение при приложении к ним энергии. Традиционно термин «молекулярный двигатель» применяется, когда речь заходит об органических белковых соединениях, однако, в настоящее время его применяют и для обозначения неорганических молекулярных двигателей [1] и используют в качестве обобщающего понятия. Возможность создания молекулярных моторов впервые была озвучена Ричардом Фейнманом в 1959 году.

Главной особенностью молекулярных роторов являются повторяющиеся однонаправленные вращательные движения происходящие при подаче энергии. В дальнейшем это направление получило развитие за счет двух научных докладов, опубликованных в 1999 году, описывающих природу молекулярных роторов. Однако, в докладах не указывалось причин, за счет которых молекулы были способны генерировать крутящий момент. Ожидается, что в ближайшее время будет проведено значительное количество исследований в данной области и появится понимание химии и физики наноразмерных роторов.

Пример прототипа для синтетического химически привода поворотного молекулярного двигателя сообщили Келли и его сотрудников в 1999 г. Их система состоит из трех лопастного триптицена ротора и helicene , и способен выполнять однонаправленное вращение 120 ° .

Это вращение происходит в пять этапов. Амин группа , присутствующая на триптицена фрагмент превращают в изоцианат группы путем конденсации с фосгеном ( в ). Затем термическое или самопроизвольное вращение вокруг центральной связи приближает изоцианатную группу к гидроксильной группе, расположенной на геликеновом фрагменте ( b ), тем самым позволяя этим двум группам реагировать друг с другом ( c ). Эта реакция необратимо захватывает систему в виде напряженного циклического уретана, который имеет более высокую энергию и, следовательно, энергетически ближе к энергетическому барьеру вращения, чем исходное состояние. Дальнейшее вращение триптиценовой части, следовательно, требует только относительно небольшого количества термической активации , чтобы преодолеть этот барьер, тем самым высвобождая штамм ( d ). Наконец, расщепление уретановой группы восстанавливает аминные и спиртовые функциональные возможности молекулы ( е ).

Результатом этой последовательности событий является однонаправленное вращение триптиценовой части на 120 ° по отношению к геликеновой части. Дополнительное вращение триптиценового ротора вперед или назад тормозится геликеновым фрагментом, который выполняет функцию, аналогичную функции собачки храпового механизма . Однонаправленность системы является результатом как асимметричного перекоса геликенового фрагмента, так и напряжения циклического уретана, который образуется в c . Эту деформацию можно уменьшить только вращением триптиценового ротора по часовой стрелке в d , поскольку как вращение против часовой стрелки, так и обратный процесс d являются энергетически невыгодными. В этом отношении предпочтение направления вращения определяется как положением функциональных групп, так и формой геликена и, таким образом, встроено в структуру молекулы, а не диктуется внешними факторами.

Двигатель, созданный Келли и соавторами, является элегантным примером того, как химическая энергия может быть использована для создания контролируемого однонаправленного вращательного движения, процесса, который напоминает потребление АТФ в организмах для подпитки многочисленных процессов. Однако он страдает серьезным недостатком: последовательность событий, которая приводит к повороту на 120 °, не воспроизводится. Поэтому Келли и его сотрудники искали способы расширить систему, чтобы эту последовательность можно было выполнять многократно. К сожалению, их попытки достичь этой цели не увенчались успехом, и в настоящее время проект был заброшен. В 2016 году группа Дэвида Ли изобрела первый автономный синтетический молекулярный двигатель, работающий на химическом топливе.

Некоторые другие примеры синтетических химически приводом поворотные молекулярные двигатели , которые все работают путем последовательного добавления реагентов не было, в том числе использование стереоселективного раскрытием кольца в виде рацемической биарил лактона путем использования хиральных реагентов, что приводит к направленной вращение на 90 ° одного арила по отношению к другому арилу. Браншо и его сотрудники сообщили, что этот подход, за которым следует дополнительный этап замыкания кольца, может быть использован для выполнения неповторяемого поворота на 180 °. Феринга с соавторами использовали этот подход при создании молекулы, которая может многократно совершать вращение на 360 °. Полное вращение этого молекулярного двигателя происходит в четыре этапа. На стадиях A и C вращение арильного фрагмента ограничено, хотя возможна инверсия спирали . На стадиях B и D арил может вращаться относительно нафталина со стерическими взаимодействиями, не позволяющими арилу проходить через нафталин. Ротационный цикл состоит из четырех этапов, вызванных химическим воздействием, которые осуществляют преобразование одной ступени в следующую. Стадии 1 и 3 представляют собой реакции асимметричного раскрытия кольца, в которых используется хиральный реагент для управления направлением вращения арила. Стадии 2 и 4 состоят из снятия защиты с фенола с последующим региоселективным образованием кольца.

Читать еще:  Kia carens какой двигатель

Стоддарт и молекулярные челноки

Фрейзеру Стоддарту из Северо-западного Университета в Ивастоне (США), пошедшему по стопам Саважа, удалось собрать из молекул относительно простое устройство, на основе которого работают многие современные молекулярные механизмы. Устройство предстваляло собой соединение из класса ротаксатанов.

Молекула ротаксана выглядит как муфта, которая движется вдоль оси, концы которой увенчаны крупными навершиями. Эти навершия не дают муфте соскочить. На противоположных концах оси находятся группы атомов, которые способны связываться с «муфтой». Стоддарт установил, что «муфта» может перемещаться от одной такой группы к другой. Эта молекула и стала первым молекулярным челноком. В 1994 году Стоддарт изменил устройство своего шаттла: теперь на концах «оси» находились не одинаковые, а разные группы атомов. Изменяя кислотность раствора, в котором плавали молекулярные перевозчики, можно было управлять активностью каждой из них и целенаправленно заставлять муфту двигаться.

Машины Стоддарта строились на двух принципах, которые унаследовали все следующие поколения молекулярных машин. Первый из них гласит, что связь между подвижными частями машины или подвижной и не подвижной не должна иметь ковалентную природу. Ковалентные связи слишком сильные для того, чтобы их можно было легко разрывать и снова создавать. Вместо этого для движущихся частей машин используется электростатическое притяжение между частями молекул, имеющих полярные электрические моменты.

Второй принцип заключается в том, что «шаттлам» не должен быть нужен внешний источник энергии. Они получают энергию от броуновских столкновений с другими молекулами в растворе.

Свой механизм Стоддарт использовал для создания устройства хранения информации на основе сотен челноков. Пойманные в ловушку между кремниевым слоем и титановыми электродами, ротаксаны с помощью электричества перемещают «муфту» вперед и назад — получаются своеобразные молекулярные «счеты» 13 мкм длиной, способны хранить 160000 бит информации и настолько малы, что 100 гигабит с их помощью может поместиться на 1 квадратном сантиметре. Это сравнимо с технологиями записи данных, которые используются в современных жестких дисках.

«Молекулярный автомобиль» Бернарда Феринга

Бернард Феринга, самый молодой из лауреатов Нобелевской премии, создал способные вращаться части машины, до него долгое время никому не удавалось сделать это. Феринга и его исследовательская группа соорудили четырехколёсный молекулярный автомобиль. Крупные молекулы-«колёса», вращаясь относительно других частей конструкции, «катят» автомобиль по поверхности. Фактически Феринга создал роторы для будущих моторов и доказал, что молекулярная машина при поступлении энергии, в данном случае световой, может совершать полезную работу — «ездить» и даже перевозить грузы в несколько раз тяжелее себя! Как мы крутим педали велосипеда, так свет крутит «колёса» автомобиля Феринга.

Читать еще:  Двигатель 60ktyz схема подключения

Чтобы заставить машину совершать направленное движение, пришлось совершить ряд хитрых операций. Под действием света некоторые жёсткие двойные связи, вокруг которых вращение невозможно, переходят в одинарные, которые позволяют совершать движение. Если освещать автомобиль светом заданной длины волны, то, благодаря переходу двойных связей в одинарные, она будет совершать направленное движение. К сожалению, пока в микроскоп увидеть вращение колеса нельзя, но с помощью косвенных измерений удалось доказать, что колёса всё-таки вертятся.

Понятно, что шестерёнки да винтики — не механизм. Фактически изобретения Нобелевских лауреатов — своего рода детали конструктора. Комбинируя их, можно создать более сложный механизм. Как дальновидно заметили члены Нобелевского комитета:

«Молекулярный двигатель сейчас находится на той же стадии, на которой находился электродвигатель в 1830‑х годах, когда учёные видели вращающиеся рукоятки и колёса, но не знали, что они станут основой электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов».

Твой ход, молекула

Забавные наноинженерные молекулы не только собираются сами — они еще и двигаются. Ряд научно-исследовательских групп создали молекулы, которые могут ходить, подобно людям или животным. Синтезируемые из ДНК, они могут двигаться прямо вдоль дорожки, правда, до недавнего времени было трудно понять, «прыгают» или «плывут» путешественники в новое место — потому что шаги в нанометр длиной сложно зарегистрировать, используя обычные методы. К счастью, ученые из Отделения химии Оксфордского университета пропитали ходоков мышьяком и смогли проследить движение по тонкому следу — раз и навсегда доказав, что ходоки делают то, что и должны были делать.

Механическая инженерия имеет большое влияние на наностроительство — отсюда и название «молекулярные машины». Двигатели, к примеру, которые в реальной жизни кажутся нам громоздкими и шумными, тоже получили молекулярное воплощение. Первый молекулярный двигатель был создан в 2012 году; самый быстрый из серии появился в прошлом году. Самый маленький просто крутит атом серы на поверхности чистой меди, разгоняясь до 7200 оборотов в минуту. Самый быстрый, сделанный из трех молекулярных компонентов, может разгоняться до 18 000 оборотов в минуту — почти как реактивный двигатель.

Пример прототипа синтетического вращающегося молекулярного двигателя с химическим приводом был представлен Келли и его коллегами в 1999 году. [4] Их система состоит из трехлопастной триптицен ротор и геликен, и способен выполнять однонаправленное вращение на 120 °.

Это вращение происходит в пять шагов. В амин группа, присутствующая в триптиценовом фрагменте, превращается в изоцианат группа путем конденсации с фосген (а). Тепловое или самопроизвольное вращение вокруг центральной связи приближает изоцианатную группу к гидроксил группа, расположенная на геликеновом фрагменте (б), тем самым позволяя этим двум группам реагировать друг с другом (c). Эта реакция необратимо ловит систему как напряженный циклический уретан который имеет более высокую энергию и, следовательно, энергетически ближе к энергетическому барьеру вращения, чем исходное состояние. Следовательно, дальнейшее вращение триптиценовой части требует лишь относительно небольшого количества термическая активация чтобы преодолеть этот барьер, тем самым снимая напряжение (d). Наконец, расщепление уретановой группы восстанавливает амин и спирт. функциональные возможности молекулы (е).

Результатом этой последовательности событий является однонаправленное вращение триптиценового фрагмента на 120 ° относительно геликенового фрагмента. Дополнительное вращение триптиценового ротора вперед или назад тормозится геликеновым фрагментом, который выполняет функцию, аналогичную функции собачки трещотка. Однонаправленность системы является результатом как асимметричного перекоса геликенового фрагмента, так и напряжения циклического уретана, который образуется в c. Это напряжение может быть уменьшено только вращением триптиценового ротора по часовой стрелке в d, как вращение против часовой стрелки, так и обратный процесс d энергетически невыгодны. В этом отношении предпочтение направления вращения определяется как положением функциональных групп, так и формой геликена и, таким образом, встроено в структуру молекулы, а не диктуется внешними факторами.

Читать еще:  Что такое повышенная компрессия двигателя

Двигатель Келли и его сотрудников — элегантный пример того, как химическая энергия может использоваться для создания управляемого однонаправленного вращательного движения, процесса, напоминающего потребление АТФ в организмах, чтобы подпитывать многочисленные процессы. Однако он страдает серьезным недостатком: последовательность событий, которая приводит к повороту на 120 °, не воспроизводится. Поэтому Келли и его коллеги искали способы расширить систему, чтобы эту последовательность можно было выполнять многократно. К сожалению, их попытки достичь этой цели не увенчались успехом, и в настоящее время проект был заброшен. [5] В 2016 г. Дэвид ЛиГруппа изобрела первый автономный синтетический молекулярный двигатель, работающий на химическом топливе. [6]

Сообщалось о некоторых других примерах синтетических роторных молекулярных двигателей с химическим приводом, которые все работают за счет последовательного добавления реагентов, включая использование стереоселективный открытие кольца из рацемический биарил лактон за счет использования хиральных реагентов, что приводит к направленному вращению одного арила на 90 ° по отношению к другому арилу. Браншо и его сотрудники сообщили, что этот подход, сопровождаемый дополнительным этапом замыкания кольца, может использоваться для выполнения неповторяемого поворота на 180 °. [7] Феринга и его сотрудники использовали этот подход при разработке молекулы, которая может многократно совершать вращение на 360 °. [8] Полное вращение этого молекулярного мотора происходит в четыре этапа. На этапах A и C вращение арил часть ограничено, хотя спираль инверсия возможна. На стадиях B и D арил может вращаться относительно нафталин с стерические взаимодействия предотвращение прохождения арила через нафталин. Цикл вращения состоит из четырех этапов, вызванных химическим воздействием, которые осуществляют преобразование одного этапа в следующий. Стадии 1 и 3 представляют собой реакции асимметричного раскрытия кольца, в которых используется хиральный реагент для управления направлением вращения арила. Шаги 2 и 4 состоят из снятие защиты из фенол, с последующим региоселективный формирование кольца.

Небиологические [ править ]

В последнее время химики и те, кто занимается нанотехнологиями , начали исследовать возможность создания молекулярных двигателей de novo. Эти синтетические молекулярные двигатели в настоящее время имеют множество ограничений, которые ограничивают их использование в исследовательской лаборатории. Однако многие из этих ограничений могут быть преодолены по мере расширения нашего понимания химии и физики в наномасштабе. Один шаг к пониманию динамики в наномасштабе был сделан с изучением диффузии катализатора в каталитической системе Грабба. [14] Другие системы, такие как нанотранспортные средства , хотя технически не являются двигателями, также являются иллюстрацией недавних усилий по созданию синтетических наноразмерных двигателей.

Другие не реагирующие молекулы также могут вести себя как двигатели. Это было продемонстрировано с помощью молекул красителя, которые движутся направленно в градиентах раствора полимера за счет благоприятных гидрофобных взаимодействий. [15] Другое недавнее исследование показало, что молекулы красителя, твердые и мягкие коллоидные частицы способны перемещаться через градиент раствора полимера за счет исключенных объемных эффектов. [16]

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector