Когда ученые пытаются сделать какие-либо миниатюрные устройства, они подходят к этой проблеме двумя различными путями. Некоторые из ученых, используя технологии нанопроизводства, вырезают на подложках наноразмерные версии знакомых устройств и объектов. Другие же ученые используют в своих интересах возможность синтеза отдельных молекул, обладающих определенными свойствами для того, что бы собрать электромеханические системы, состоящие из нескольких десятков атомов. И очень часто получается, что эти атомарные устройства во многом походят на своих «полномасштабных» прототипов.
Когда мы в последний раз слышали о двигателе, изготовленном из единственной молекулы, это был крошечный четырехколесный нано-автомобиль, передвигающийся благодаря электронам, подаваем от атомно-силового микроскопа. А сейчас исследователям удалось создать из единственной сложной молекулы крошечный электродвигатель, вращающийся ротор которого сидит на шарикоподшипнике, в роли которого выступает единственный атом рутения.
Самой сложной частью создания подобных вещей является синтез молекул строго определенного строения. В данном случае основой молекулы являются атомы бора, которые формируют три кольцевидные структуры, которые по химическому составу весьма подобны некоторым основаниям молекул ДНК. Атомы азота, располагающиеся в углах кольцевидных структур, связаны с атомом рутения, что придает всей структуре ротора вид трехгранной пирамиды. Следует заметить, что эта молекула имеет название [n5-1-(4- tolyl )-2,3,4,5-tetra(4-ferrocenylphenyl) cyclopentadienyl hydrotris [6-((ethylsulphanyl)methyl)indazol-1-yl] borate ruthenium(II)], что в полной мере отражает сложность ее строения.
Ученые специальным образом подготовили золотую поверхность и после этого установили на нее полученную пирамиду молекулы. В результате у них получилось нечто вроде ветряной мельницы с пятью лопастями. По центру структуры находятся кольца из пяти атомов, а дополнительные кольца формируют структуру лопастей ветряной мельницы. Молекула одной из лопастей была преднамеренно оставлена без одного атома железа, а сделано это было с целью обеспечения возможности наблюдения за движением этой чрезвычайно сложной молекулы.
Центральное кольцо из пяти атомов углерода «сидело», опираясь на единственный атом рутения. Этот атом рутения выступал в роли шарикоподшипника, позволяющего беспрепятственно всей конструкции вращаться вокруг своей оси.
Для того, что бы заставить это все вращаться ученые использовали электронный туннельный микроскоп для того, что бы ввести в систему лишние электроны. Электрический заряд, обеспеченный излишком электронов, обеспечивал электрическое и магнитное взаимодействие отдельных частей молекулы, что приводило к передвижению молекулы на один шаг, на одну пятую полного круга. Используя некоторые уловки, ученые смогли даже управлять направлением вращения всей наноконструции. «Накачка» электронами лопасти с атомами железа приводила к вращению в одну сторону, а «накачка» электронами лопасти без атома железа обеспечивала вращение в обратную сторону.
Конечно, вряд ли в скором будущем такие двигатели-молекулы смогут найти практическое применение, ведь несмотря на простоту подобных устройств для приведения их в действие требуются достаточно серьезные и дорогостоящие инструменты, такие как электронный туннельный микроскоп. Но их создание является внушительной демонстрацией контроля над создаваемыми на молекулярном уровне структурами.
Источник: