В 2016 году Нобелевскую премию по химии получили Жан Пьер Саваж, Джеймс Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга [1]. Первые шаги на пути разработки молекулярной машины были сделаны Жаном Пьером Саважем еще в 1983 году. Ему удалось соединить две кольцеобразные молекулы в цепь — такое соединение называется катенан [2]. Как правило, все молекулы соединяются друг с другом при помощи сильных ковалентных связей, однако в катенане они связаны между собой более легкой механической связью. Это позволяет молекулам свободно перемещаться относительно друг друга, что является принципиальным моментом для полноценной работы молекулярной машины. Подход на основе катенанов позволил разработать такие сложные топологические структуры как тройной катенан, трилистный узел и узел Соломона (рис. 1) [3].

Следующую важную разработку в развитии молекулярных машин сделал Джеймс Фрейзер Стоддарт. В 1991 году он синтезировал ротаксан — соединение, состоящее из молекулы гантелевидной формы и циклической молекулы, «надетой» на нее. Он «накрутил» молекулярное кольцо на тонкую молекулярную ось и показал, что кольцо способно двигаться вдоль оси (рис. 2) [4]. На основе этой разработки были созданы системы, напоминающие работу мышц в живом организме. Например, в 2000 году группа исследователей разработала структуру, которая состоит из двух взаимно запутанных ротоксанов и способна контролируемо сжиматься и разжиматься при воздействии на нее химических стимулов [5].

Затем, уже самим Стоддартом и его помощниками, была разработана модель молекулярного «лифта», опять же на основе ротоксана (рис. 3). Она позволяет контролировать движение матрицы между двумя своеобразными «этажами», которые находятся на расстоянии всего 0,7 нм друг от друга [6].

Бернард Ферринга — первый человек, который смог изобрести молекулярный двигатель. В 1999 году он разработал молекулярные лопасти несущего винта, которые постоянно вращаются в одном и том же направлении. Эта остроумная конструкция представляла собой гигантский скачок вперед в области развития молекулярных машин. На ее основе был получен так называемый «наноавтомобиль» (nanocar). Наноавтомобиль состоит из четырех моторных компонентов, которые работают попарно, вращаясь в разных направлениях и тем самым обеспечивая движение машинки по металлической поверхности [7].

В 1830-х годах ученые разрабатывали различные вращающиеся рукоятки и колеса электродвигателя, не зная, что в итоге это приведет к появлению электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов. С точки зрения своего развития, молекулярный двигатель пока находится на той же стадии, что и электродвигатель на заре своего существования, и, очевидно, несет в себе огромный потенциал для будущих разработок. Предполагается, что в будущем молекулярные машины будут использоваться в качестве новых материалов, датчиков, сенсоров и систем для хранения энергии.

Литература

1. The Nobel Prize in Chemistry 2016. Сайт Нобелевского комитета;
2. Фермент-катенан, или Зацепленные кольца без химической связи;
3. Nierengarten J.-F., Dietrich-Buchecker C. O., Sauvage J.-P. (1994). Synthesis of a doubly interlocked [2]-Catenane. J. Am. Chem. Soc. 116, 375–376;
4. Anelli P. L., Spencer N., Stoddart J. F. (1991). A molecular shuttle. J. Am. Chem. Soc. 113, 5131–5133;
5. Jiménez M. C., Dietrich-Buchecker C., Sauvage J.-P. (2000). Towards synthetic molecular muscles: contraction and stretching of a linear rotaxane dimer. Angew. Chem. Int. Ed. 39, 3284–3287;
6. Badjić J. D., Balzani V., Credi A., Silvi S., Stoddart J. F. (2004). A molecular elevator. Science. 303, 1845–1849;
7. Kudernac T., Ruangsupapichat N., Parschau M., B. Maciá. (2011). Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature. 479, 208–211.