4.4.2.5.Возвратно-поступательное движение

Возвратно-поступательное движение широко распространено как в биоло­гических объектах, так и в технике. В живых организмах оно осуществляется с помощью специальных белковых молекул. В частности, сокращение мускулов у высших животных происходит в результате пошагового взаимодействия конце­вых групп миозина с волокнами актина (рис. 3.20).

В нанотехнике для организации возвратно-поступательного движения мо­гут быть использованы ротаксановые и псевдоротаксановые структуры, речь о которых шла выше. Например, "искусственный мускул" может быть сконструи­рован из нескольких параллельно соединенных звеньев, изображенных на рис. 3.21.

Пример конкретной молекулы, опробованной в качестве одного из двух одинаковых элементов такого звена, дан на рис. 3.22.

Интересные возможности предоставляют ротаксаны с тремя и более про­межуточными "станциями" на линейной молекуле и полиротаксаны с несколь­кими кольцевыми молекулами. С их помощью можно обеспечить многопозици­онное дискретное перемещение с высокой точностью (порядка 0,1 нм); пози­ционирование других молекул перед сборкой; выполнение логических операций

Рис.3.20. Схема работы мышцы с нарастающим увеличением от а и б к в и г.

Рис.3.21.

Рис.3.22. Пример конкретного ротаксаного димера, управляемого химически и природного для конструирования искуственного мускула.

запоминание информации, т.е. они могут играть роль суппорта в традицион­ном станке, транспортера, манипулятора, работающих с высокой скоростью и максимально возможной в природе точностью - субатомарной. Их состояние

Рис.3.23. Ротаксан с тремя промежуточными “станциями”- состояниями с локальным минимом энергии.

может управляться химическими, электрическими или оптическими воздейст­виями.

Синтезировано и опробовано значительное число подходящих для этих це­лей супрамолекулярных структур. Пример одной из них дан на рис. 3.23.

4.4.2.6.Схемы сборки путем нанизывания кольцевых молекулярных

структур на линейные

Для сборки-разборки различных молекулярных устройств большое значе­ние имеет возможность нанизывания кольцеобразных молекул на линейные и рассоединения их при необходимости (рис. 3.24).

Рис.3.24. Схематическое изображение сборки-разборки для трех молекулярных комплексов:

Рис.3.25. Изменение свободной энергии Гиббса G в процессе сборки и разборки молекулярного комплекса.

Ряд ротаксановых супрамолекулярных структур предоставляет такую воз­можность, причем многие из них легко управляются светом или электрическим полем. Длительное существование в собранном виде без участия внешних воз­действий, очевидно, возможно лишь в том случае, когда взаимодействие коль­цевой части системы, надетой на линейную, приводит к понижению свободной |-энергии (рис.3.25).

Проиллюстрируем эти положения несколькими конкретными примерами.

На рис. 3.26 показана схема процесса захвата кольцевой молекулой одной из двух линейных молекул, расположенных поблизости. Вторая линейная моле

Рис.3.26. Схема селективного захвата из раствора кольцевой молекулой одной из двух стержневых и ориентация оставшегося снаружи комплекса.

Рис.3.27. Молекулярный комплекс, в котором операции сборки-разборки инициируются электрохимическими реакциями окисления-восстановления.

кула при этом также позиционируется определенным образом, устанавливаясь снаружи от кольца параллельно захваченной первой. Добавление к раствору n-Bu₃N приводит к обмену местами линейных молекул, а добавление протонсо-держащих примесей - к восстановлению исходного состояния.

Таким образом, здесь происходит химически управляемое образование тех или иных псевдоротаксановых комплексов с упорядоченным расположением трех молекул друг относительно друга.

Гораздо удобнее управлять процессами молекулярного монтажа/демонтажа с помощью электрического тока, сообщающего или отбирающего электронный заряд у комплекса (рис. 3.27).

Обратимая сборка-разборка супрамолекулярного комплекса осуществляет­ся здесь за счет окислительно-восстановительных реакций в результате потери или приобретения электрона.

Интересно отметить, что три состояния, реализующиеся в изображенном процессе, легко различимы невооруженным глазом, поскольку при образовании псевдоротаксана раствор окрашивается в изумрудно-зеленый цвет, а при де­композиции комплекса - в коричневый или ярко-синий (в зависимости от того, окислена или восстановлена линейная молекула). Помимо чисто механических устройств это делает описанную систему привлекательной и для конструирования различных индикаторов и дисплеев.

На рис. 3.28 изображен супрамоле-кулярный комплекс, который образуется в результате самосборки благодаря до-норно-акцепторному взаимодействию п-электронов, принадлежащих разным мо­лекулам. Освещение приводит к диссо­циации псевдоротаксана вследствие пе­рераспределения зарядов в комплексе.

В гетерогенных системах, более привлекательных для практики, проде­монстрирована возможность самосборки псевдоротаксанов на твердой подлож­ке (рис. 3.29).

В частности, показано, что процесс, изображенный на рис. 3.29, можно осуществить, предварительно адсорбировав на подходящей поверхности одну из взаимодействующих молекул.

Рис.3.28. молекулярный комплекс, в котором операции сборки-разборки иициируются светом,вызывающим перераспределение зарядов в комплексе.

Рис.3.29. Схематическое изображение самосборки молекулярного комплекса с предварительным закреплением на твердой подложке одной из его частей:

а- стержневой;б- кольцевой

Рис.3.30. Схема сборки-разборки ротаксанового молекулярного комплекса с помощью зонда атомно-силового микроскомп:

Учитывая большую популярность зондовых нанотехнологий, осуществляе­мых с помощью атомно-силовых микроскопов , покажем и принципи­альную схему образования одиночного псевдоротаксанового комплекса посред­ством манипулирования единичными молекулами (рис. 3.30).

В итоге отметим, что наличие подходящего набора органических молекул позволяет собирать из них, как из детского конструктора, практически весь спектр машин и приборов нанометровых размеров, необходимых для наноэлек-троники и наноробототехники. При этом нет нужды изготавливать каждую де­таль в отдельности, как в традиционном производстве. Они или уже есть в при­роде, и их необходимо выделить из биообъектов, или могут быть получены по­средством несложного химического синтеза в громадных количествах. Причем, в отличие от изготавливаемых человеческими руками, они абсолютно идентич­ны, т.е. не имеют никакого разброса параметров.

Это упраздняет понятие "допуск" при изготовлении, так как природа при создании определенной молекулы действует строго в соответствии с законами квантовой механики, которые не допускают никаких отклонений от номинала.

Итак, в описанном направлении нанотехнология стоит на пути создания массовых сборочных производств приборов и машин нанометровых размеров из отдельных функциональных молекул, подобно тому как собирается на конвейе­ре автомобиль из отдельных деталей.