3.4.2.2.Молекулярные пинцеты

Захват (особенно селективный) отдельных атомов и молекул из смеси и пе­ренос их в заданное место - одна из наиболее востребованных операций в нано-технологии. По-видимому, молекулярные пинцеты были первыми образчиками

наноприспособлений, состоящих из одной молекулы, публикации о которых появи­лись еще в начале 80-х годов XX в. Их принцип действия заключается в измене­нии конформации органической молекулы под действием подходящего кванта света (обычно в области ближнего ультрафиоле­та). Поэтому такие устройства называют оптическими пинцетами.

На рис. 3.9. показан один из первых предложенных молекулярных пинцетов на базе молекулы азобензена. Возбуждение ее светом вызывает трансцис-тои&-ризацию, резко меняющую геометрию мо­лекулы. В новом состоянии она может за­хватывать металлические ионы своими коронообразными концевыми группами, причем этот эффект селективен по отно­шению к природе иона.

Так, если для ионов К⁺ коэффициент экстракции из раствора в цис-форме в 42,5 раза выше, чем в транс-форме, то для ионов Na⁺ он, напротив, становится меньше в 5,6 раза.

Рис.3.9. Молекулярный пинцет на базе светочувствительной молекулы азобензена: а-принцип действия;

б- схема захвата иона калия при включении ультрафиолетового (УФ) света.

Селективность по отношению к ионам от К⁺ до La³⁺ наблюдалась также при фотовозбуждении бензопиренов. Переход транс-цис обратим, и при отключении света молекула под действием термических флуктуации возвращается в ис­ходное /иранс-состояние. Пинцет разжимается, и захваченный ион может быть освобожден. Впоследствии были найдены соединения, которые сохраняли "за­щелкнутое" состояние и в темноте.

Другой принцип действия использован в оптических пинцетах - манипуля­торах, в которых свет вызывает внутримолекулярный перенос заряда и заряже­ние одного конца молекулы плюсом, а другого минусом. Вследствие действия кулоновских сил притяжения эти концы притягиваются и могут захватывать различные частички.

В ряде случаев фотоиндуцированный захват иона, атома или молекулы спо­собен привести и к серьезным изменениям структуры самого пинцета, что также может найти полезное применение, в частности для функционализации манипу­лятора.

Молекулярные машины, подобные оптическим пинцетам, можно организо­вать и на молекулах ДНК, что было продемонстрировано в ряде недавних работ (Seeman С. DNA Nanotechnology // Materials Today. 2003. № 1. P. 24-29).

В последние несколько лет было найдено или синтезировано много соеди­нений, пригодных на роль атомных манипуляторов, так что исследователи мо­гут выбрать оптимальное сочетание их характеристик применительно к постав­ленной задаче. Помимо атомно-молекулярных манипуляций и дизайна эти мо­лекулы могут использоваться в селективных сенсорах и другой наномасштаб-ной электронике.

Родовыми недостатками оптических пинцетов являются низкая производи­тельность и надежность захвата. Поэтому для массового производства ставка делается на самосборку и самоорганизацию, которые широко использует При­рода в построении сложных биологических структур.