Наномоторы, соединенные в шахматном порядке, имитируют активное вещество
 Схематическое описание взаимодействий между отдельными наностержнями. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Опубликованная работа имеет важное значение в контексте понимания и контроля так называемого активного вещества. Живые организмы формируют динамические структуры, которые существуют в неравновесном состоянии за счет рассеивания свободной энергии. Хотя это чрезвычайно расточительно, на практике подобное поведение делает возможным практически все, что мы ассоциируем с понятием «жизни»: полет гусей, плаванье рыб, существование групп бактерий и т.п. Все вышеперечисленные объекты – это примеры так называемого активного вещества на разных масштабах длинны.
Подобные примеры есть и вне живых организмов, особенно в микромасштабах. Определенным исключением из этой группы примеров являются так называемые каталитические двигатели (устройства, содержащие в себе частицы катализатора, взвешенного в жидкости, которые преобразуют энергию химической реакции на поверхности в движение). Подобные устройства относятся к нано- и микронным масштабам и при этом ведут себя, как бактерии. На данный момент поведение подобных «устройств» не до конца понятно, поэтому исследователи из разных научных групп стремятся описать его и использовать на практике. Правда, для этого в первую очередь необходимо узнать, как между собой взаимодействует пара каталитических двигателей.
В попытках ответить на эти вопросы группа ученых из Penn State University (США) обнаружила, что пары и тройки каталитических наномоторов самопроизвольно соединяются в шахматном порядке. Из предыдущих работ команда уже выяснила, что подобные устройства генерируют электрическое поле вокруг каждого отдельного наностержня (наноустройства). Поэтому логичным предположением стал тот факт, что шахматный порядок определяется наличием положительного заряда на одном конце наностержня и отрицательного – на другом.
В рамках своей работы ученые провели численное моделирование ионного облака, образующегося вокруг пары наностержней для проверки этой гипотезы. После этого они внимательно изучили взаимодействие между положительным и отрицательным полюсами наностержня, а также их воздействие на пассивные частицы-маркеры (имеющие положительный или отрицательный заряд). Эксперимент показал, что маркеры действительно собираются на концах стержней, в соответствии с их зарядом. Измеряя скорость этих частиц, в зависимости от расстояния до наностержня, они даже смогли оценить силу, действующую на частицу в данной точке. Кроме того, они получили возможность вычислить силу взаимодействия между двумя наностержнями, а также скорость распада образованной ими структуры (пары).
В будущем каталитические двигатели могут найти применение во множестве приложений, включая химическое зондирование, сортировку частиц. Таким образом, понимание того, как подобные частицы «подбирают» и «отпускают» груз, а также объединяются друг с другом без образования ковалентной связи необходимо для развития этих приложений.
Теперь команда ученых надеется лучше понять механизмы контроля коллективного поведения подобных устройств, в частности, принципы самоорганизации наномоторов. Наличие хорошей модели взаимодействия пары устройств уже сейчас позволяет им запустить моделирование гораздо более сложных структур. Ученые надеются, если химические или биохимические сигналы могут определять коллективное поведение, это потенциально могло бы использоваться для усиления сигналов в датчиках, создания самовосстанавливающихся материалов и т.п.
Также по теме:
- Эффективный нанодвигатель может использовать свет в качестве «топлива»
- Молекулярный робот может двигаться
- Нанороботы на основе ДНК
- Наноструктуры-чемпионы улучшат ячейки для расщепления молекул воды
- Микроскоп на основе наноантенн бьет очередные рекорды
Источники: