Туннелирование для молекулярных машин
 Воображаемый молекулярный механизм, способный к перемещению по плоскости. |
|
||||||||
Молекулярные механизмы можно найти повсюду в природе. Эти биологические объекты включают, зачастую, тысячи атомов, таким образом, их невозможно изучать, используя в качестве основы лишь компьютерные модели. Изначальной целью группы исследователей из University of California было понимание основных принципов действия этих механизмов так, чтобы можно было создать их искусственные аналоги. Для своих исследований совместно с коллегами-химиками, ученые создали простые с точки зрения изучения молекулы, которые могут перемещаться и «нести полезный груз», если их разместить на медной плоскости, помещенной в вакуум. Экспериментальная установка, таким образом, представляла собой упрощенную модель биологических систем, ведь в обычных условиях молекулярные механизмы могут перемещаться не только по плоскости, но и в третьем измерении, а также взаимодействовать с окружающим миром.
Два года назад ученые из University of California, работая с аналогичной установкой, открыли тот факт, что определенные типы молекул (а именно, молекулы антрахинона) могут перемещаться по медной поверхности по прямолинейной траектории. Это был неожиданный результат, т.к. обычно молекулы склонны к беспорядочным перемещениям. Более того, к своей структуре они могут «присоединять» две молекулы углекислого газа, образующих своеобразные «ноги», перенося их при движении вместе с собой.
Однако, на тот момент исследователи не могли ответить на один вопрос: почему перемещение молекул «с грузом» происходит столь быстро. Параллельно проводилось изучение аналогичной ситуации и в случае с другой молекулярной структурой, способной присоединять четыре молекулы углекислого газа. Оказалось, что эта структура перемещалась в миллион раз медленней, чем антрахинон.
На тот момент явлению не удалось найти достойного объяснения, но в своей последней работе, опубликованной в журнале Journal of the American Chemical Society, исследователи предположили, что виной всему туннельный эффект: молекула с двумя углеродными структурами просто туннелирует через потенциальные барьеры поверхности, а не поднимается над ними.
Туннельный эффект – сугубо кванто-механическое явление. Данное явление подразумевает преодоление квантовой частицей потенциального барьера в том случае, если ее энергия меньше уровня этого барьера. До сих пор туннельные явления наблюдались для микроскопических систем, и их присутствие в масштабе молекул является фундаментальным отклонением от законов макроскопической физики.
Сделанное учеными открытие означает, что молекулярные механизмы могли бы перемещаться в пространстве гораздо быстрее, чем можно было бы от них ожидать, пользуясь «классическим» подходом. Искусственные аналоги этих молекул, способные туннелировать, могли бы использоваться в электронике или медицине, например, для доставки лекарственных препаратов в нужную точку.
Также по теме:
Источники: