Алексей Алексенко /

Нобелевская премия за маленькие машинки

Премию 2016 года по химии получили Жан-Пьер Саваж, Фрейзер Стодарт и Бернард Феринга за конструирование молекулярных машин

Иллюстрация: АBС Sсiencе
Иллюстрация: АBС Sсiencе
+T -
Поделиться:

За последние лет этак восемь слово «нанотехнологии» приобрело для российской общественности комические коннотации: это что-то из анекдотов про то, как один народец решил было стать великим, но смехотворно переоценил свои силы. На самом деле нанотехнологии действительно существуют, причем довольно давно. Нобелевская премия этого года по химии — как раз за нанотехнологии.

Предыстория

Начать эту историю можно, к примеру, с изобретения колеса. Около 10 000 лет назад кто-то заметил, что катить круглое проще, чем тащить угловатое, и если уж вам попалось именно угловатое, то работа пойдет веселее, если подложить под него круглое. Оставалось только смастерить универсальное «круглое», и вот вам научное открытие, которое точно было бы достойно Нобелевской премии, если бы Нобелевские премии существовали в те дремучие века.

За колесом последовали всевозможные блоки, рычаги и так далее вплоть до паровоза и МКС — человеческий мозг со страшным напряжением, медленно-медленно выдавал на-гора идеи все новых громоздких и неуклюжих приспособлений.

Но тем временем существовала и другая сюжетная линия той же истории: механизмы, созданные самой природой, о которых вышеупомянутый мозг до последнего момента не имел ни малейшего представления. Вот, например, мышца — та самая вздувшаяся от напряжения мышца нашего предка, которая тащила угловатое, катила круглое и всячески побуждала мозг придумать хоть что-то, чтобы облегчить свою жизнь. Там, внутри мышцы, молекулы белка миозина быстро-быстро перебирали крохотными лапками по актиновому волокну, в сумме давая ту самую силу мышечного сокращения, которая тащила и катала. Совершенство этих маленьких машинок таково, что даже МКС по сравнению с ними недалеко ушла от каменного рубила.

Да что там наши мышцы: посмотрите на жгутик хламидомонады, или другой жгутик — вашего сперматозоида. Это самый настоящий мотор, с вращательным движением, мощный и экономичный. Посмотрите на АТФ-азу, которая обеспечивает вас энергией: это такая турбина, вставленная в мембрану, которую проворачивает поток ионов водорода, и за каждый оборот штампуется молекула АТФ. По сути это машины, существовавшие задолго до того, как ваш немытый предок впервые использовал колесо.

Смысл этого рассказа вот в чем: были механизмы маленькие и изящные, которые никто не придумывал, потому что они выкованы миллиардами лет эволюции. И были механизмы неуклюжие и примитивные, придуманные человеческим мозгом. Эти две сюжетные линии должны были когда-то пересечься, и вот они пересеклись.

История

Наша человеческая наука пока бесконечно далека от того, чтобы с нуля, без оглядки на природные аналоги (да даже и с оглядкой!) разработать что-то столь же совершенное, как жгутик водоросли или АТФ-азу. То, что пока могут придумать ученые, соотносится с этими природными машинами примерно так же, как первобытное колесо и Rolls-Royce Phantome.

Но колесо-то у нас уже есть!

Именно его и изобрели нобелевские лауреаты этого года — в отличие от изобретателей первобытного колеса, их имена история сохранила. Первым был Жан-Пьер Саваж: еще в 1983 году он синтезировал «катенаны» — две кольцевые молекулы, зацепленные друг за друга подобно звеньям цепи. Одно колесо могло вращаться относительно другого, при этом оставаясь частью одной конструкции. Во многих изобретенных человеком машинах части движутся относительно друг друга, но машина при этом не разваливается. Молекулярный подшипник, придуманный Саважем, способен обеспечивать именно это свойство.

Если можно зацепить друг за друга два колеса, то можно и посадить колесо на палку. Это и сделал в начале 1990-х Фрейзер Стодарт. Его колесо, правда, не крутилось на палке, зато оно могло двигаться по ней вправо-влево. Причем не как попало: когда система получала энергию, молекулярное колесо сдвигалось по молекулярной палке в одном направлении, перемещаясь от одной области электронной плотности к другой. Эту штуку назвали «ротаксаном», и на ее базе сконструировали молекулярный лифт. Работает он, в сущности, почти так же, как обычная мышца животного: здесь достижения человека и достижения природы почти сравнялись.

Наконец, третий нобелевский лауреат этого года (кстати, вице-президент Голландской академии наук) придумал молекулярный мотор. Ему, конечно, далеко до изобретенного природой жгутика, и тем не менее эта большая молекула способна, как и жгутик, вращаться в одном направлении и вращать груз, превышающий размер самой машинки в 10 000 раз. Бернард Феринга даже сделал из этого игрушку, которую назвал «наномобилем»: эта здоровенная молекула могла катиться по поверхности, перерабатывая химическую энергию в механическую.

Перспектива

Зачем это человечеству? Пока только для забавы. Как, собственно, забавой были автомобили всего сто с лишним лет назад, и как двести лет назад был забавой изобретенный Стефенсоном паровоз. Не будем говорить, что за истекшее время автомобиль и паровоз не то чтобы просто «пригодились», а буквально изменили мир.

Нужно особо отметить, что все эти смешные маленькие штуковины, за которые сегодня дают Нобелевку, сделаны тоже не вчера. Самой молодой из них — молекулярному ротору Феринги — скоро исполнится два десятилетия, и с тех пор нанотехнологии не стояли на месте. Из столетия, отведенного нанотехнологиям на то, чтобы изменить мир, 20 лет уже прошло. Значит, ждать осталось не так уж и долго.

О работах нобелевских лауреатов по химии можно прочитать попроще тут, а посложнее вот тут. Желаем вам радостных открытий и ощущения причастности к прогрессу, который, черт возьми, все же происходит. Даже если на 1/8 части суши становится лишь поводом для анекдотов.