Новая машина подражает насосному механизму поддерживающих жизнь белков, которые перемещают маленькие молекулы вокруг живых клеток, чтобы усвоить и сохранить энергию от еды. Для его еды искусственный насос потребляет энергию от химических реакций, ведущие молекулы, постепенные от энергосберегающего государства до высокоэнергетического государства – далеко от равновесия.
В то время как у природы были миллиарды лет, чтобы усовершенствовать ее сложное молекулярное оборудование, современная наука только начинает царапать поверхность того, что могло бы быть возможным в завтрашнем мире.«Наш молекулярный насос – радикальная химия – изобретательный способ передать энергию от молекулы до молекулы, способ, которым делает природа», сказал сэр Фрейзер Стоддарт, ведущий автор исследования. Стоддарт – профессор Совета попечителей Химии в Колледже Вайнберга Нортвестерна Искусств и Наук.«Все живые организмы, включая людей, должны непрерывно транспортировать и перераспределять молекулы вокруг своих камер, используя жизненные белки перевозчика», сказал он. «Мы пытаемся воссоздать действия этих белков, используя относительно простые маленькие молекулы, которые мы делаем в лаборатории».
Детали искусственного молекулярного насоса были изданы 18 мая журналом Nature Nanotechnology.Чуйанг Ченг, аспирант четвертого года в лабораторном и первом авторе Стоддарта статьи, потратил свои исследования доктора философии, исследующие молекулы, которые подражают биохимическому оборудованию природы. Он сначала проектировал искусственный насос два года назад, но требовалось больше чем год тестирования прототипов, прежде чем он нашел идеальную химическую структуру.
«В некотором отношении мы просим, чтобы молекулы вели себя способом, что они обычно не делали бы», сказал Ченг. «Это во многом как попытка выдвинуть два магнита вместе. Кольцевые молекулы, с которыми мы работаем, отражают друг друга при нормальных обстоятельствах. Искусственный насос в состоянии откачать часть энергии, которая переходит к другому владельцу во время химической реакции и использует ее, чтобы выдвинуть кольца вместе».
Крошечная молекулярная машина пронизывает кольца вокруг nanoscopic цепи – своего рода оси – и сжимает кольца вместе только с несколькими миллимикронами, отделяющими их. В настоящее время искусственный молекулярный насос в состоянии спрессовать только два кольца, но исследователи полагают, что это не будет задолго до того, как они могут расширить его действие на десятки колец и сохранить больше энергии.Команда Стоддарта исследовала искусственные молекулярные машины в течение нескольких лет.
Проблема, с которой они сталкивались в течение долгого времени, состоит в том, как привести их машины в действие. Этот последний прогресс может позволить им делать машины, которые выполняют задачи на молекулярном уровне.
По сравнению с системой природы искусственный насос очень прост, но это – начало, говорят исследователи. Они проектировали новую систему, используя кинетические барьеры, который позволяет молекулам течь «в гору» энергично.
«Это – неравновесная химия, движущиеся молекулы далеко от их минимального энергетического государства, которое важно для жизни», сказал Пол Р. Макгонигэл, автор исследования. «Проведение неравновесной химии таким образом, с простыми искусственными молекулами, является одной из основных проблем для науки в 21-м веке».В конечном счете они намереваются использовать энергию, сохраненную в их насосе, чтобы привести в действие искусственные мышцы и другие молекулярные машины.
Исследователи также надеются, что их дизайн вселит других химиков, работающих в неравновесную химию.«Это абсолютно непохоже на процесс проектирования оборудования, которое мы привыкли видеть в повседневной жизни», сказал Стоддарт. «В некотором смысле, Нужно учиться видеть вещи с точки зрения молекул, рассматривая силы, такие как случайное тепловое движение, что никогда нельзя было бы рассматривать, строя сельскохозяйственный водный насос или любое другое механическое устройство».