Знайдено спосіб передачі інформації за допомогою повороту молекул

З молекул, здатних при адсорбції на поверхню приймати кілька можливих орієнтацій, можна створювати почесні масиви, в яких стан сусідніх молекул виявляється зв'язаним. Вчені з Китаю запропонували використовувати такі масиви для передачі інформації між окремими молекулами. Результати дослідження опубліковані в.

Кількість функцій, які можуть виконувати молекулярні машини, зростає день від дня. Якщо спочатку молекулярні роботи виконували в основному механічні функції і використовувалися в якості наномоторів або, наприклад, насосів, то зараз вони, наприклад, вже навчилися розплутувати подвійні спіралі ДНК.

При цьому питання про передачу інформації між окремими молекулами залишається відкритим. Для створення логічних ланцюгів з окремих молекул вже були запропоновані механізми, засновані на взаємодії спинів або заряджених ділянок молекул. Тим не менш, контролювати процес передачі інформації вдається тільки при досить низьких температурах, тому вчені продовжують пошук нових механізмів для створення логічних ланцюгів з окремих молекул.

У своєму новому дослідженні китайські вчені запропонували спосіб передачі інформації між окремими молекулами за допомогою взаємодії Ван-дер-Ваальса. Для цього вони використовували молекули на основі фталоціанину, нанесені на мідну підкладку. Структура фталоціанину нагадує пропелер з чотирма лопатями, і через взаємодію з підкладкою при адсорбції молекула може приймати одну з двох стійких конформацій.

Обидві конформації енергетично еквівалентні, і молекула може перейти з однієї в іншу, повернувшись на 45 градусів. Ініціювати такий поворот можна за допомогою зовнішнього впливу, натиснувши на одну з «лопатей» цієї молекули голкою скануючого тунельного мікроскопа.

З таких молекул хіміки склали кілька різних структур почесних масивів, після чого зовнішнім впливом змінювали орієнтацію однієї з них і стежили за переорієнтацією інших. Виявилося, що якщо сусідні молекули знаходяться досить близько (для фталоціанину олова, використаного в даній роботі, не далі 16 нанометрів), то їх орієнтація на підкладці залежить від орієнтації сусідніх молекул. Якщо в однієї з молекул більше одного сусіда з протилежною орієнтацією, то і сама молекула теж зорієнтується подібним чином. При цьому якщо у молекули тільки один сусід протилежної орієнтації, або кількість сусідів у різних конформаціях однакова, то зміни орієнтації відбуватися не буде.

Відповідно, повернувши одну молекулу в правильно складеному масиві, можна запустити ланцюгову реакцію і зміну конформацій молекул у довгому ланцюжку. При цьому такі системи можуть не тільки використовуватися для передачі сигналу за заздалегідь створеними маршрутами, але і виконувати найпростіші логічні операції.

Вчені змогли показати, що до переорієнтація призводить близькодіюча взаємодія Ван-дер-Ваальса, а не далекодіюча електростатична. Поворот однієї з молекул змінює енергетичний бар'єр, який потрібно подолати для повороту сусідньої молекули. І якщо теплової енергії молекули виявляється достатньо для подолання нового бар'єру, то вона теж повертається. Оскільки цей процес визначається енергією активації, то його швидкістю досить легко керувати, змінюючи температуру системи.

За словами вчених, достоїнствами запропонованого методу є саме те, що він працює при кімнатній температурі. При цьому для управління конформаційним станом молекул дійсно не потрібно додатково прикладати напругу або, наприклад, приводити електрони в збуджений стан.

Якщо такі логічні ланцюжки вдасться пристосувати для керування молекулярними машинами, то їх можна буде використовувати для синтезу стереоспецифічних молекул при кімнатній температурі або для керованого звірення клітинних мембран.