Перегони на молекулах: короткий огляд молекулярних машинок

Наприкінці квітня в Тулузі було тепло, але температура на гладкій позолоченій трасі наближалася до абсолютного нуля. Тут, у глибокому вакуумі тунельного мікроскопа, пройшли перші в історії перегони наномобілів — і до фінішу дісталися далеко не всі.

Green Buggy

Toulouse Nanomobile Club (Франція)

Розробник: Тулузький університет III ім. Поля Сабатьє. Конструкція

: жорстке шасі на чотирьох групах, кожна з яких обертається незалежно під дією тунельного струму, переміщуючи болід на 0,3 нм за кожен повний оборот.

Переваги: вигнута форма шасі мінімізує взаємодії з поверхнею підкладки, які можуть знижувати швидкість на трасі.

Пройшов: 0 нм.

На 100-нанометрову дистанцію учасникам NanoCar Race було виділено більше двох діб, хоча переможець визначився вже через кілька годин: двоколісний гонщик розвинув шалену швидкість, яка дозволила б подолати сантиметр всього за 11,5 років. Незважаючи на це, боротьба розгорнулася неабияка. Змагання тримали в напрузі тисячі глядачів, які стежили за прямими включеннями з Центру розробки матеріалів і структурних досліджень (CEMES) у французькій Тулузі, поки учасники замінювали і знову прискорювали свої боліди і навіть перезапускали автодром.

Dipolar Racer

NanoPrix Team (США, Австрія)

Розробник: Університет Райса, Грацький університет.

Конструкція: два колеса, що вільно обертаються на основі жорсткої вуглецевої решітки адамантану. Прискорюється тунельними струмами, що діють на заряджені групи в передній і задній частинах шасі.

Переваги: швидкість така велика, що на золотій підкладці болід не вдається роздивитися. Спеціальним рішенням журі було дозволено використовувати срібну підкладку, на якій Dipolar Racer розвинув швидкість 95 нм/

  Пройшов: 450 нм.

Молекулярні машини розганялися струмами, які протікали по тонкій — з вістрям у кілька атомів — голці скануючого тунельного мікроскопа (СТМ). Голка рухається в декількох ангстремах над провідною поверхнею, що дозволяє оглядати її з роздільною здатністю до атома або маніпулювати окремими частинками, подаючи на них слабкий тунельний струм. Під його дією переміщалися і наномобілі, хоча в іншому конструктори виявили велику винахідливість, синтезувавши молекули з двома і чотирма колесами, що парять над трасою, як ховербайк, і навіть повзуть на манер гусениці.

Swiss Nano Dragster

Swiss Team (Швейцарія)

Розробник: Базельський університет.

Конструкція: безколісний «ховербайк», що приводиться в рух за рахунок електромагнітних взаємодій, які виникають під дією струмів між трьома площинами терпиридинової групи і поверхнею золотої підкладки.

Переваги: проста і стійка структура підвищеної витривалості, здатна витримати багатогодинну гонку без руйнування.

Пройшов: 133 нм.

Спеціально для NanoCar Race команда професора CEMES Крістіана Йоахіма зібрала СТМ, здатний маніпулювати чотирма голками відразу, проводячи наномобілі паралельними доріжками. Однак цього виявилося замало: до фінішних заїздів були готові відразу шість команд, так що гонки проходили не тільки на основному «автодромі», але і ще на двох СТМ-установках, розташованих в Австрії та США. Вранці 28 квітня старт було дано. До цього моменту молекули кожної команди вже були напилені на золоту підкладку, залишалося підігнати боліди до місця старту і почати розгін, входячи в перший поворот.

NIMS-MANA Car

Nano-Vehicle NIMS-MANA (Японія)

Розробник: Національний інститут наук про матеріали.

Конструкція: модуль зі спарених молекул нафталіну змінює положення щодо шасі, змушуючи болід рухатися на манер живої гусениці. Другий модуль розташований симетрично для підвищення надійності і швидкості.

Переваги: «шарнірна підвіска» модулів дозволяє контролювати рух з високою точністю, проте до початку гонок розробники не встигли випробувати її на золотій підкладці.

Пройшов: 1 нм.

Аварія трапилася вже через півгодини: нескоординовані дії японської команди Nano-Vehicle NIMS-MANA призвели до зависання основного мікроскопа, через що заїзд довелося перервати для перезавантаження СТМ. Зате після нового старту гонка пішла швидше: стрімкий швейцарський «нанодрагстер» претендував на перемогу, але кілька разів губився, і команда витратила дорогоцінні хвилини на його заміну. Переможцем виявився «дипольний гонщик» американо-австрійської команди NanoPrix, який розвинув шалену швидкість, діставшись до фінішу за півтори години і відірвавшись від прийшов другим «драгстера» на п’ять годин.

Bobcat Nano-Wagon

Ohio Bobcat Nano-Wagon Team (США)

Розробник: Університет Огайо.Конструкція

: на Н-подібному шасі — чотири обертові колеса на основі кукурбуїла, округлої макроциклічної структури з п’яти- і шестиченних азовмісних кілець.

Переваги: кожен оборот колеса просуває баггі на 0,3 нм вперед; за розрахунками розробників, цього достатньо, щоб подолати потрібну дистанцію приблизно за годину.

Пройшов: 43 нм.

Третя нагорода NanoCar Race дісталася баггі американської команди. Наномобіль, що містить понад 500 атомів, також отримав спеціальний приз як найбільший болід гонок. Втім, ні йому, ні іншим трьом учасникам за 30 годин не вдалося навіть дістатися до фінішу (французький наномобіль і зовсім не зміг зрушити з місця). Незважаючи на очевидний прогрес нанотехнологій, можливості маніпуляції окремими атомами і молекулами поки дуже і дуже обмежені. Зате цей напрямок розвивається в приголомшливому темпі, і вже від наступних гонок NanoCar Race вболівальники чекають і більшої конкуренції на трасі, і великих швидкостей.

Windmill

Nano-Windmill Company (Німеччина)

Розробник: Дрезденський технічний університет.

Конструкція: чотири молекули біфенілацетилу утримуються водневими зв’язками. Струм, впливаючи на одне із зовнішніх бензолових кілець, змушує систему рухатися в його напрямку.

Переваги: чотири незалежних рушії забезпечують високу маневреність. Завдяки гнучкій модульній конструкції болід можна швидко відновити після аварії.

Пройшов: 11 нм.