«Парк» наномашин продолжает обновляться – на этой неделе к нему прибавилась молекулярная пружина, которая, может сплетаться или расплетаться, многократно переходя в одинаковые «запрограммированные» состояния.

Разработанные исследователями из Японии, такие пружины могут вращать микроскопические объекты в заданном направлении, что может оказаться полезным для работы с хиральными системами, например, жидкокристаллическими.

Ранее были разработаны молекулы, имитировавшие работу мышц, и способные перемещать объекты на наноуровне, однако разработка молекулярных двигателей, способных инициировать вращение в определенном направлении – по часовой или против часовой стрелки представляет собой гораздо более сложную задачу.

Йосио Фурусо (Yoshio Furusho), работавший над проектом в Университете Нагойи, отмечает, что расширение и сжатие полученной ими молекулы напоминает движение макроскопической пружины. Расширение молекулярной пружины сопровождается ее раскручиванием, при котором сохраняется оптическая конфигурация молекулы, что приводит к неизменному направлению закручивания или скручивания «нанопружины».

Нанопружина состоит из двух полимерных цепей, связанных между собой отрицательно заряженными мостиковыми боратными группами. Введение в систему положительно заряженных ионов натрия приводит к тому, что катионы натрия взаимодействуют с борат-анионами, в результате чего отрицательный заряд на боратных фрагментах компенсируется, электростатическое отталкивание между ними ослабевает, и боратные группы сближаются. Эти процессы приводят к тому, молекула сжимается примерно на 50% от своей исходной длины.

В процессе удлинения молекулы две цепи полимера изгибаются, образуя подобие двойной спирали, такое изменение конформации полимерных молекул приводит к вращению молекулы. Применение в качестве связывающего мостика хирального боратного фрагмента позволяет добиться однонаправленного вращения «нанопружины». Для того, чтобы молекулярная пружина вернулась в исходную форму, необходимо удалить ионы натрия, что можно сделать с помощью полидентатного лиганда, как, например, криптанда.

Фурусо заявляет, что в настоящее время в его исследовательской группе работают над инкорпорированием двойной спиральной пружины в органогели и жидкокристаллические материалы, надеясь на то, что изменения на наноуровне приведут к изменениям в макроскопической системе.

Джонатан Нитшке (Jonathan Nitschke) из Кембриджа отмечает, что работа японских коллег представляет собой элегантный пример использования химических свойств веществ для создания молекулярных машин, добавляя, что особо ему нравится идея соединения молекулярных машин с макроскопической жидкокристаллической матрицей.

Бен Феринга (Ben Feringa) из Университета Гронингена (Нидерланды), также разрабатывающий системы подобного рода, также впечатлен работой Фурусо, и предполагает, что «нанопружины» могу применяться в качестве молекулярных приводов для получения искусственных мембран, реагирующих на изгиб или сжатие.