Наноботы всё ещё остаются мечтой или поводом для появления теорий заговора, но это не отменяет того факта, что учёные всеми силами стремятся раскрыть секреты наномира. «Там внизу полно места», ― говорил физик Ричард Фейнман. Когда-нибудь этот мир заполнится искусственной жизнью. Возможно, шаг в этом направлении сегодня сделали швейцарские учёные, которые представили наномотор всего из 16 молекул.

Молекулярный мотор из шести атомов палладия (синий), шести атомов галлия (красный) и молекулы ацетилена (серый). Изображение: Empa

Группа исследователей из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии (Empa) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создала один из самых маленьких в мире двигателей. Он состоит из 16 молекул и работает на границе явлений классической и квантовой физики.

Неподвижная часть двигателя (статор) состоит из шести атомов палладия и шести атомов галлия в грубом подобии треугольной формы. Движущаяся часть или ротор ― это четырехатомная молекула ацетилена (C₂H₂). Ширина двигателя всего один нанометр. Он может приводиться в действие как тепловой энергией, так и электрической. Причём если тепло заставляло ротор вращаться в случайном направление (при комнатной температуре), то подвод электричества с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа в 96 % случаев заставляло ротор вращаться строго в одном направлении ― против часовой стрелки. Это определённо обнадёживает, ибо прослеживается управляемость.

Кстати, подобный двигатель может быть приспособлен не только для передвижения наноботов, но также для сбора энергии для наноустановок.

Верхний ряд ― это изображения с СТМ, нижний ― компьютерное представление (Empa)

Интересно, что в работе нанодвигателя учёные нашли несоответствие классическим законам физики. В ходе экспериментов выяснилось, что для вращения ротора требуется определённо меньше энергии, чем необходимо для преодоления силы трения. Ответ был найден в явлениях квантовой физики, а именно в квантовом туннелирование частиц. Этот эффект предоставляет тот «довесок» энергии, которого не доставало в расчётах при описании работы молекулярного двигателя.

Поставленный эксперимент и множество будущих опытов с молекулярными двигателями помогут понять многие эффекты и явления на нанометровом уровне. Когда-нибудь это приведёт к удивительным открытиям и изобретениям.

Рано или поздно на смену жёстким дискам и SSD придут новые виды носителей данных, на что намекает экспоненциальный рост объёмов информации. Для этого уже сейчас учёные бьются над проблемами записи на молекулярном уровне, и определённые успехи на этом направлении есть.

Группа учёных из Университета Брауна (США) сообщила о прогрессе в разработке методов записи и считывания данных на молекулярном уровне. Данные об исследовании опубликованы в Nature Communications (статья доступна для бесплатного прочтения на английском языке). В серии экспериментов учёные записали, сохранили и затем считали цифровые файлы с закодированными изображениями египетского бога Анубиса, абстрактной картины скрипки Пикассо и другие изображения общим объёмом 200 Кбайт.

Это не первая попытка закодировать данные с помощью набора молекул, но в данном случае учёные решили не ждать милости от природы. До данного эксперимента учёные брали известные химические соединения (молекулы) и создавали из них смеси ― таким образом кодировали входящие данные. Считывание данных происходит с помощью последовательного анализа смесей масс-спектрометром. Затем компьютерная программа преобразует полученный результат в картинку или текст. Подобный подход был ограничен известным химикам набором небольших по размеру молекул. А чем меньше молекул, тем меньше возможностей для кодирования, например, с точки зрения разрядности.

Учёные из Университета Брауна синтезировали собственные наборы молекул ― библиотеки для кодирования данных. Вся хитрость заключалась в том, чтобы из простейших соединений и без сложных реакций научиться быстро создавать библиотеки из простых молекул, которые масс-спектрометр мог бы идентифицировать с максимальной точностью.

Для синтеза малых молекул была выбрана так называемая Уги реакция ― это многокомпонентная комбинаторная реакция с использованием четырёх компонентов: карбоновой кислоты, амина, альдегида (кетона) и изоцианида. Эта реакция широко используется в фармацевтике и является надёжным инструментом для синтеза соединений. Для создания библиотек из молекул в различных комбинациях использовались пять аминов, пять альдегидов, 12 карбоновых кислот и пять изоцианидов. Всего учёные смогли создать до 1500 соединений.

Преимуществом здесь является потенциальная масштабируемость библиотеки. Используя всего 27 различных компонентов, учёные за один день создали библиотеку из 1500 молекул и им не пришлось искать для этого какие-либо уникальные молекулы.

Для кодирования каждой картинки использовались свои библиотеки в виде уникального набора из молекул. Для записи изображения Анубиса, например, библиотека содержала 32 компонента. Для кодирования 0,88-мегапиксельного рисунка Пикассо была задействована библиотека из 575 соединений.

Технически запись происходила следующим образом. Данные кодировались в смеси молекул, которые помещались в крохотные лунки диаметром менее миллиметра на небольших пластинках из железа. В каждой лунке (капле) уникальных молекул может быть так же много, как в библиотеке. Например, в самом максимальном случае ― 1500, но надёжно считать их все в такой  комбинации пока нельзя. Тем не менее, это позволяет судить о разрядности каждой смеси, а она ограничена только размерами библиотеки. Затем каждая смесь считывается масс-спектрометром, молекулы идентифицируются и входящие данные расшифровываются.

Для представленного метода учёным пришлось разрабатывать алгоритмы коррекции ошибок. Разработанный метод позволил идентифицировать молекулы с точностью до 99 %. Метод доказал свою надёжность, но исследования необходимо продолжить.

На сайте агентства DARPA (The Defense Advanced Research Projects Agency, Defense ARPA) появилось сообщение о запуске новой программы Accelerated Molecular Discovery (AMD). Программа по ускорению открытия новых молекул направлена на военные цели, что, впрочем, не исключает мирного применения разработок, если таковые будут предложены.

DARPA

По представлению учёных, вселенная молекул насчитывает 10⁶⁰ комбинаций. Из этого фактически бесконечного множества человечеством открыто и исследовано только 140 млн молекул. Среди неоткрытых молекул наверняка скрываются такие, которые способны укрепить оборонную и наступательную мощь США. Проблема только в том, что каждое новое открытие молекул до сих пор — это интуитивный путь движения учёных с длительными повторяющимися экспериментами, а военным надо быстро и чётко. Дан приказ — немедленно выполнить и доложить!

К счастью, на подхвате оказался поднимающий голову искусственный интеллект. Программа AMD (не путать с одноимённой компанией) предполагает конкурс решений на базе ИИ для создания молекул по представленному набору требований. Это могут быть молекулы для безопасного моделирования боевых химических агентов, для медицины, для покрытий, для красок, для эффективного топлива и многое другое, что придёт на ум пытливому военному разуму.

Платформы ИИ для поиска новых молекул должны уметь извлекать информацию из баз данных и из текстов и создавать инструменты и физически обоснованные руководства для производства молекул с заранее заданными характеристиками. Вебинар с разъяснениями программы DARPA AMD запланирован на 18 октября. Кроме этого, агентство ждёт талантливых химиков и коллективы для работы над увлекательными проектами.

Европейская Южная Обсерватория (ESO) сообщает о том, что группе исследователей из Гарвардского Смитсонианского астрофизического центра в Кембридже (США) удалось впервые уверенно зарегистрировать радиоактивные молекулы в межзвёздном пространстве.

Наблюдения выполнялись с помощью телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) и NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array). Учёные зарегистрировали источник излучения радиоактивного изотопа алюминия-26. Этот источник, изначально обозначенный CK Лисички, был открыт в 1670 году: в это время он описывался наблюдателями как яркая красная «новая звезда». Объект представляет собой результат слияния двух светил.

Отмечается, что это первый случай уверенной регистрации неустойчивой радиоактивной молекулы вне Солнечной системы. Неустойчивые изотопы обладают избыточной ядерной энергией и, в конечном счёте, распадаются с образованием устойчивых атомов.

«Наблюдения радиоактивного изотопа алюминия дают возможность по-новому взглянуть на событие слияния звёзд, которое и породило объект CK Лисички. Они также свидетельствуют о том, что глубокие и плотные внутренние слои звезды, в которых рождаются тяжёлые элементы и радиоактивные изотопы, при столкновениях звёзд могут перемешиваться и выбрасываться в пространство», — говорится в сообщении ESO.

Ожидается, что результаты наблюдений в перспективы помогут получить важную информацию о химической эволюции Вселенной. 

Ученые разработали активируемые светом наномашины, которые могут внедряться в раковые клетки и убивать их в течение нескольких минут.

TOUR GROUP/RICE UNIVERSITY

Нобелевская премия по химии за 2016 год была присуждена трём учёным: Жан-Пьеру Соважу из Университета Страсбурга, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту из Северо-Западного университета (США) и Бернарду Феринге из Университета Гронингена (Нидерланды), которые придумали, как построить эти молекулярные машины из цепочки атомов.

Для исследования, опубликованного в журнале Nature, ученые построили несколько таких наномашин. При активации светом наномашины нацеливались на определённые клетки и, прорываясь через мембрану, быстро убивали их.

Машины настолько малы, что собранные вместе 50 000 штук не превышают толщину одного человеческого волоса. Каждая машина спроектирована так, чтобы быть чувствительной к белку, находящемуся в определённом типе клетки, что помогает им найти свою цель. Если добавить света, машины начинают вращаться со скоростью до 3 млн оборотов в секунду, и это вращение обеспечивает мощность, необходимую для проникновения в клетку. Без поступления света наномашины могут только найти молекулу, но останутся на её поверхности.

Когда ученые запускали эти наномашины в ёмкость с клетками человеческих почек, они проделывали отверстия в клетках и убивали их в течение нескольких минут. То же самое произошло, когда наномашины были направлены на раковые клетки предстательной железы.

Данная технология пока находится на начальной стадии, поскольку следующие эксперименты по-прежнему будут проводиться с микроорганизмами и рыбами. Но есть надежда, что в будущем эти наномашины можно будет использовать или для адресной доставки лекарств, или на самом деле для уничтожения раковых клеток, что позволит освоить новые, более эффективные методы лечения.

Малоизвестный за пределами азиатского сектора китайский производитель ChangHong прибыл в Лас-Вегас со смартфоном, претендующим на звание самого технологичного гаджета выставки CES 2017. Выполненную в форм-факторе классического мобильного устройства модель под названием H2 разработчики оснастили молекулярным сканером, позволяющим в деталях узнать о попавшем в руки объекте: определить химический состав вещества, выявить ряд его свойств и структурных особенностей. 

CNET.com

В основе сканирующего модуля ChangHong H2 лежит технология инфракрасной спектроскопии — процесс поглощения ИК-излучения при его прохождении через объект, сопровождающийся ослаблением интенсивности света на определённых частотах. Такой анализ позволяет определить структуру соединений исследуемого материала путём выявления тех или иных структурных фрагментов органической молекулы. 

CNET.com

Mashable.com

Смартфон ChangHong H2 намерен стать первым серийным мобильным устройством с молекулярным сканером SCiO «на борту». Его «фишку» — дистанционно идентифицирующий химический состав модуль — изготовили специалисты израильской фирмы Consumer Physics и американской Analog Devices. Их ручной молекулярный сканер SCiO для исследования продуктов питания и анализа лекарственных препаратов с целью выявления подделок понравился посетителям сайта Kickstarter: благодаря краудфандингу портативное устройство было запущено в серию. Теперь же аналогичный инфракрасный спектрометр в рамках сотрудничества с китайской ChangHong получил и обычный смартфон. 

VentureBeat.com

Что касается технической части непосредственно самого телефона, то ChangHong H2 получил:

• матрицу с диагональю 6 дюймов и разрешением Full HD;
• неизвестный восьмиядерный чип (вероятнее всего — процессор MediaTek);
• 4 Гбайт оперативной памяти;
• встроенный флеш-накопитель на 64 Гбайт;
• тыльную камеру с разрешением 16 Мп;
• аккумулятор ёмкостью 3000 мА·ч;
• биометрический сканер;
• корпус с толщиной (в месте размещения молекулярного сканера) 10,2 мм.

Смартфон ChangHong H2, несмотря на свою концептуальность и неординарность, готовится поступить в продажу на территории Китая в первой половине 2017 года. В США продажи гаджета с молекулярным сканером начнутся чуть позже. Цена устройства составит около $500. 

CNET.com

Напомним, что в ассортименте ChangHong имеется смартфон H1, в который производитель установил анализатор биохимических показателей крови. 

Специалисты Томского государственного университета совместно с немецкими коллегами изучают новые свойства органических молекул, которые возникают при их взаимодействии с металлической поверхностью. Результаты работы в перспективе могут найти применение в молекулярной электронике.

Учёные объясняют, что существуют два способа взаимодействия органической молекулы с металлической поверхностью: образование химической связи и притяжение за счёт сил Ван-дер-Ваальса. «Принято считать, что связь Ван-дер-Ваальса гораздо слабее по сравнению с химической связью. Однако существуют системы, в которых вклад этих видов взаимодействия сопоставим. Такие системы могут обладать необычными свойствами, которые можно использовать для создания новых типов электронных приборов», — говорят специалисты.

Исследователи выбрали для экспериментов производную бензола — триазин. Ранее считалось, что эта молекула с жёсткой шестигранной структурой не подвергается существенной деформации при взаимодействии с металлом, а следовательно, не меняет своих свойств.

Однако в ходе исследований выяснилось, что на поверхности металла под воздействием сил Ван-дер-Ваальса названная молекула изгибается, приобретая новые свойства. В результате становится возможным формирование «молекулярного переключателя», играющего роль элемента памяти: в одном состоянии молекула работает как ноль, в другом — как единица. Поскольку размеры молекул очень малы, это позволит записывать огромное количество информации на единицу площади. 

Группе исследователей из МГУ имени М.В. Ломоносова в сотрудничестве с немецкими коллегами из Института полимерных исследований в Дрездене (Институт Лейбница) удалось найти вещество, которое в перспективе может дать толчок развитию органической электроники.

Учёные выяснили, что соединение под названием [3]-радиален, известная науке уже около 30 лет, может использоваться при создании органических полупроводников. Названная молекула представляет собой так называемый допант (что означает «легирующая примесь»), добавление которого к полимерной основе существенно увеличивает её электрическую проводимость.

В ходе исследований учёные пытались подобрать такое вещество, которое бы не только подходило по своим энергетическим уровням на роль допанта, но и обеспечивало бы требуемые параметры взаимодействия с полимером. Подходящим кандидатом оказалась производная [3]-радиалена — сильнейший допант для органических полупроводников из тех, что известны в научной литературе.

Эксперименты с радиаленом подтвердили результаты квантово-химических расчётов — вещество прекрасно смешивается с полимерами и позволяет увеличивать их электрическую проводимость в десятки и даже сотни раз. «Было установлено, что вплоть до 50-процентного содержания допанта в полимере не происходит фазового расслоения, зато кристаллическая структура полимера постепенно изменяется. Это означало, что молекулы допанта встраиваются в полимерную кристаллическую решётку и формируют там так называемый со-кристалл. А образование со-кристаллов как раз и является одной из основных причин высокой эффективности нового соединения», — говорится в публикации МГУ.

Достижение учёных значительно поможет развитию органической электроники и, в частности, будет способствовать созданию органических светодиодов и новых классов органических солнечных батарей. 

Исследователи Колумбийского университета сообщили о том, что им удалось создать диод из одной молекулы, который может использоваться в устройствах наномасштаба. Как утверждается в научной статье «Single-Molecule Diodes with High On-Off Ratios through Environmental Control», новая технология позволяет создавать диоды c производительностью в 50 раз выше, чем у предшественников.

Columbia University

Идея создания «одномолекулярного» диода была впервые предложена в 1974 году. Ещё тогда выдвигалась теория, утверждающая, что молекула может работать как выпрямитель, или однонаправленный проводник электрического тока. С тех пор исследователи неоднократно предпринимали попытки создания одиночных молекул на металлических электродах, которые могли бы играть роль диодов, резисторов, переключателей или транзисторов. При этом в таких молекулах наблюдались различные квантовые механические эффекты, такие как интерференция, что негативно отражалось на их свойствах. Самой большой проблемой являлся очень низкий коэффициент выпрямления.

Nature.com

Инженеры Колумбийского университета предложили новый подход к созданию «одномолекулярного» диода с коэффициентом выпрямления более 250 (что в 50 раз больше предыдущих достижений) и сравнительно высоким током в прямом направлении (около 0,1 мкА). Габариты устройства настолько малы, что квантовые механические эффекты очень сильно влияют на работу диода. Поэтому создание такой молекулы с ожидаемым поведением и характеристиками является настоящим триумфом — считает руководитель проекта Лата Венкатараман (Latha Venkataraman).

Для борьбы с негативными квантовыми эффектами вместо использования асимметричной структуры самого диода изобретатели создали так называемое асимметричное окружение молекулы: соединения активных молекул были помещены в ионную среду, а для контакта с ними использовались золотые электроды разных размеров. Инженеры считают, что такая техника открывает путь к созданию атомной электроники с использованием разных перспективных материалов, в том числе и с графеновыми электродами. Целью дальнейшей работы учёных является усовершенствование дизайна диода, чтобы ещё повысить коэффициент выпрямления.

Химики из университета Тафтса (Tufts University) разработали первый в мире электродвигатель из одной молекулы. Размеры «моторчика» всего 1 нм в поперечнике. Предыдущий рекорд миниатюризации составлял 200 нм, а толщина человеческого волоса, для сравнения, - 60000 нм. Создатели двигателя под руководством Чарльза Сайкса (Charles Sykes) планируют подать заявку в книгу рекордов Гиннеса. Молекулярный двигатель получает питание через сканирующий туннельный микроскоп. Сайкс с коллегами подают напряжение на молекулу сульфида бутилметила, расположенную на медной подложке.

Структура молекулы такова, что атом серы и углеродные цепочки, связанные с ним, образуют якорь электрического двигателя, который может вращаться. Появление свободных электронов заставляет вибрировать углеродные цепочки. Исследователи обнаружили, что при температуре около 5°К, они могут достаточно точно управлять скоростью и направлением вращения цепочек.

Двигатели из одной молекулы создавались и ранее, но действующие образцы использовали энергию химических связей или солнечный свет. Сайкс говорит, что до практического использования такого электродвигателя пока очень далеко, но его перспективы несомненны.

Материалы по теме:

• Lithium Hawk: ультраэффективный самодельный электромобиль;
• Открытие в области цитоплазмы клеток;
• FlyNano: сверхлегкий летательный аппарат из Финляндии.

Источник:

• tufts.edu

Исследователи из Германии и Польши сделали несколько новаторских открытий о вязкости цитоплазмы клетки, которые расширят знания о раковых клетках. Вязкость является мерой жидкостного сопротивления или густоты. У менее вязкой жидкости большая текучесть. Вода, например, имеет малую вязкость, а мёд, наоборот, менее текуч и более вязок.

Первым обратился к вязкости жидкости Альберт Эйнштейн в 1906 году, с тех пор много исследований было проведено на тему цитоплазмы клеток. Было доказано, что несмотря на высокую вязкость цитоплазмы, мобильность малых белков очень высока, несколько выше, чем указано в формуле Эйнштейна.

В своей работе, опубликованной в журнале Nano Letters, группа изучает поведение молекул белка в цитоплазме при движении вокруг клетки. Они описывают изменения вязкости, измеренные различными способами с помощью зондов, размером от нано до макроуровней. «Мы усовершенствовали наши ранние формулы и выводы, чтобы успешно распространить их на большее количество систем», - комментирует доктор Роберт Холист (Robert Holist).

Команда описала изменения вязкости с помощью одной феноменологической формулы, содержащей коэффициенты из физической природы. Коэффициенты дают описание текучей среды. Новая формула применима для зондов от долей нанометра до нескольких сантиметров.

С помощью этого исследования ученые теперь смогут лучше оценивать время миграции наркотиков в клетку. Эти знания могут быть применены в нанотехнологиях, например, в изготовлении наночастиц с мицеллярными растворами. Также результаты задействованы в передовых методах измерений, таких как динамическое рассеяние света, что позволит проанализировать размер молекул.

Материалы по теме:

• Разработаны первые в истории нанолекарства, способные продлить жизнь;
• Корица заменит химикаты при производстве наночастиц?;
• Деревья с наночастицами заменят уличные фонари.

Источник:

• physorg.com