Автономный солнечный мотор

Всем хорошо известно, что жизнь на Земле возможна только благодаря фотосинтезу, начинающемуся с улавливания кванта солнечной энергии, или фотона. Благодаря энергии фотонов в сетчатке нашего глаза генерируется нервный импульс, идущий в мозг. C этого квантового события начинается наше зрение. Эти два примера показывают очевидную истину: фотон обладает энергией, т.е. способностью выполнять работу.

Эту-то энергию ученые Болонского университета решили «запрячь», чтобы запустить мономолекулярный мотор. Речь идет об искусственно созданной молекуле, имеющей изгиб посередине (рис.), в которой на расстоянии 1,3 нанометра (нм) расположены две электроноакцепторные «станции» A₁²⁺ и A₂²⁺, между которыми «мигрирует» электронодонорный макроцикл R. Название нового соединения – ротаксан, поскольку оно осуществляет обратимую «ротацию» электрона.

Фотовозбуждение приводит к образованию энергоемкого состояния, время дезактивации которого при комнатной температуре составляет 10 микросекунд (мкс). Ротаксан ведет себя как автономный линейный мотор с квантовым КПД, достигающим 12%. Тем самым создан уникальный наномотор, работающий за счет энергии Солнца подобно известным клеточным «моторным» протеинам – кинезину, динеину и миозину мышц.

При работе наномотора происходят только внутримолекулярные процессы, т.е. в качестве мотора выступают одиночные молекулы. Частота «ротации» электрона может достигать 1 кГц – тысячи колебаний в секунду! Автономный ротаксановый мотор может работать в жидком состоянии при самых разных температурах и стабилен на протяжении как минимум тысячи циклов. Преимуществом ротаксана является также отсутствие побочных продуктов и «отходов» в ходе его работы.

Ротаксановый мотор выгодно отличается от всех известных клеточных молекулярных моторов, в частности от того же белкового комплекса, содержащего АТФ, поворот «головки» которого в одну сторону позволяет синтезировать АТФ, а в другую – расщеплять эту энергоемкую молекулу. К сожалению, протеиновые моторы очень сложны и капризны, вот почему ученые ищут различные химические замены им.

Одной из таких замен и является предложенный ротаксан. Он состоит из шести молекулярных компонентов (см. рис.). В самом его начале (слева) находится ион Ru²⁺ в окружении трех пар соединенных друг с другом пиридиновых фрагментов. Рутений в таком окружении является одновременно и фотосенсибилизатором (улавливает фотоны), и донором электронов. Далее следует изогнутый в виде колокола «скелет», имеющий в правой своей части два акцептора электронов
A₂²⁺ и A₁²⁺ (названы авторами «станциями» 2 и 1). «Станция» A₁²⁺ расположена внутри макроциклического кольца R, к которому примыкает крестообразный «стоппер» Т. Общая длина ротаксанового мотора не превышает 5 нм, а расстояние между двумя «станциями», как указано выше, 1,3 нм.

Рабочий цикл такого молекулярного мотора начинается с «выбивания» электронов из рутения фотонами. При этом ставший отрицательно заряженным макроцикл R смещается от «станции» 2 до «станции» 1, а дальнейшее его продвижение останавливается терминальным «стоппером» Т. Затем в результате естественного рассеяния энергии вероятность пребывания цикла R на «станции» 2 постепенно возрастает и достигает 95%. Тем самым осуществляется перемещение цикла R, в ходе которого может осуществляться работа.

Авторы называют подобное перемещение цикла R челночным. Обусловлено оно изменением электронной плотности в результате воздействия на рутений солнечного света, запускающим наномолекулярный мотор.

Вполне возможно, что вскоре появятся более совершенные «моторные» молекулы и молекулярные комплексы с более высоким КПД. Остается только найти подходящую область применения таких молекулярных моторов. Не исключено, что вскоре будут созданы первые оптико-механические сверхминиатюрные чипы, сочетающие в себе «бесплатность» квантового и возобновляемого каждое утро источника энергии и простоту механических устройств.

Не будем забывать, что первые устройства для отсчета быстротекущего времени были механическими, и поныне высокоточные механические часы ценятся намного выше всякого рода кварцевых и электронных.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Proceedings of National Academy of Sciences, 2006, № 5, р. 1178)