Учёные из Московского физико-технического института (МФТИ), Института химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН и Института химии поверхности Национальной академии наук Украины создали модель дипольного фотомотора — крошечного управляемого устройства, активируемого светом, которое способно двигаться в заданном направлении с рекордно высокой скоростью и тащить на себе некоторый груз, сообщает пресс-служба МФТИ. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.

При разработке наномоторов ученых отталкивались от идеи броуновских, или молекулярных моторов, которые представляют собой белковые устройства, которые под действием неравновесных флуктуаций различной природы преобразуют хаотическое броуновское движение в направленное поступательное, возвратно-поступательное или вращательное движение. В живой природе броуновские моторы обеспечивают сократительную активность тканей, например, работу мышц, подвижность клеток- именно так передвигаются жгутиковые бактерии. За счет броуновских моторов происходит межклеточный транспорт  - например, перемещение органелл внутрь клетки и выведение из нее отходов её деятельности. В природе эти процессы совершаются с удивительно высокой эффективностью, приближающейся к 100%.

Понимание природы работы молекулярных моторов привело к созданию управляемых молекул: Нобелевская премия по химии 2016 года была вручена Жан-Пьеру Соважу, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге с формулировкой «за разработку и синтез молекулярных машин». В 1999 году Бернард Феринга создал молекулярный двигатель, который представлял собой молекулярный лопасти несущего винта, которые постоянно вращались вокруг в одном направлении. Используя этот мотор, ученый сумел придать вращение стеклянному цилиндру, который был в 10000 раз больше, чем сам двигатель.
  
Работу броуновских моторов можно инициировать различными способами — например, с помощью химических реакций, тепла, электрических или световых импульсов. Около десяти лет назад была разработана модель линейного дипольного фотомотора, действие которого основано на разности дипольных моментов молекулы (частицы) в двух электронных состояниях. Чем больше разность дипольных моментов, тем выше скорость и эффективность такого мотора.

Сотрудничество Леонида Трахтенберга, профессора кафедры химической физики МФТИ и заведующего Лабораторией функциональных нанокомпозитов ИХФ РАН, и Виктора Розенбаума, заведующего отделом теории наноструктурных систем ИХП НАНУ, привело к созданию теории линейных фотомоторов, управляемых световыми импульсами. Эта теория позволила сконструировать наномашины, движением которых можно управлять с помощью лазера. Учёные нашли связь между параметрами этих устройств и их важнейшей рабочей характеристикой — скоростью. 

Принцип действия созданного фотомотора заключается в следующем: наномотор облучается лазерным импульсом, что вызывает его активацию. «Импульс должен попасть в резонанс с электронами внутри наноцилиндра; далее происходит разделение заряда в полупроводниковом наноцилиндре, он электростатически взаимодействует с полярной подложкой. Циклическое включение и выключение света приводит к зависимости потенциальной энергии взаимодействия цилиндра с подложкой от времени, эта зависимость и заставляет наномотор двигаться в заданном направлении», - поясняется в сообщении.

Как сообщают авторы, фотомоторы на основе неорганических наночастиц гораздо эффективнее и «быстрее» своих аналогов, построенных на органических молекулах — порядка 1 мм/с, что примерно на три порядка выше, чем у природных белковых моторов или у аналогичных моделей на основе органических молекул.

«Рекордные характеристики дипольных фотомоторов на основе полупроводниковых нанокластеров позволяют надеяться, что эти наномашины не только заполнят имеющуюся брешь в семействе линейных фотомоторов, но и найдут самое широкое применение повсюду, где требуется скоростной транспорт наночастиц: в химии и физике — для создания новых аналитических и синтетических инструментов, в биологии и медицине — для доставки лекарств к больным участкам живых организмов, для генной терапии и во многих других задачах», — цитируются в сообщении слова руководителя научной руппы Леонида Трахтенберга.