Ученые создают химические двигатели на молекулярном уровне

В ходе недавних трех исследований в химической отрасли был совершен прорыв в сфере создания насосов и роторных двигателей на молекулярном уровне. Микроскопические устройства пока не готовы к официальной премьере и реальному использованию, однако перспективы у технологии есть, и большие. Будущие микродвигатели смогут поглощать углекислый газ прямо из атмосферы, после чего при помощи полученной энергии будут выделять ценные металлы из морской воды.

Привычные нам двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо для получения тепла, которое за счет своей высокой энергии толкает поршни, шестерни и остальные механизмы в строго заданном направлении. Однако на уровне молекул действует совершенно другой принцип. Из-за исчезающе малого размера корпускулярных частиц молекулярные роторы при поступлении тепла с равной вероятностью могут двигаться как по часовой стрелке, так и против. Молекулы движутся хаотично, из-за чего слаженная работа большого количества микродвигателей становится невозможной.

В течение многих лет Фрейзер Стоддарт – химик-органик из Северо-Западного университета – бился над решением описанной проблемы. Наконец он добился результата и смог создать одну из первых молекулярных машин на химической основе, за что удостоился Нобелевской премии в 2016 году. Команда ученых под управлением Стоддарта изобрела микроскопические кольца, которые «накручиваются» на молекулярную ось и снимаются с нее под действием определенных реагентов. Поначалу хаотичный характер движения роторов сохранялся, а значит, они были бесполезными.

Однако со временем команда Стоддарта решила вопрос беспорядочного движения микромоторов. В декабре 2021 года в издании Science ученые сообщили о том, что им удалось иммобилизировать очередное поколение молекулярных насосов, используя для этого металлоорганический каркас. Исследователи буквально прикрепили каждый микроскопический ротор на эту конструкцию и задали строго определенное положение, которое сохранялось на всем протяжении эксперимента.

Дэвид Ли – химик из Манчестерского университета – вместе со своей командой ученых пошел еще дальше и буквально на днях создал микроскопический ротор, который непрерывно вращается, пока имеет доступ к «топливу». На текущий момент ротор вращается крайне медленно, совершая около трех оборотов в сутки. Исследователи работают над ускорением этого процесса, а также буквально каждый день открывают новые правила создания молекулярных механизмов.