Тема Супрамолекулярные ансамбли и устройства 1 Макроскопические

Тема: Супрамолекулярные ансамбли и устройства 1

Макроскопические детали и устройства и их молекулярные наноаналоги (Дрекслер, 1981) 2

3

Ученые создали искусственную мышцу Международная группа исследователей создала работающий прототип волокна искусственной мышцы, действующей при подаче напряжения. Параметры скручивания такого волокна в сотни и даже тысячи раз выше аналогичных параметров предлагавшихся ранее решений для создания искусственных мышц. Исследователи из Техасского университета в Далласе, а также технологических университетов в Австралии, Канады и Кореи опубликовали отчет о разработке искусственной мышцы. Мышца состоит из углеродных нановолокон и способна сокращаться, скручиваясь, при этом она совершает до 590 оборотов в течение 1, 2 секунды и разворачивается при смене полярности напряжения. Продемонстрированное физиками вращение в 250 оборотов на 1 мм длины мышечного волокна в тысячу раз превышает параметры создаваемых ранее искусственных мышц из ферроэлектриков, сплавов с памятью формы или электропроводных полимеров. Потребление тока на единицу веса волокна сопоставимо с электропотреблением обычного электродвигателя. 4

Основой мышцы являются прочные и очень гибкие волокна из углеродных нанотрубок, закрученные по спирали, так что можно делать пучки, закручивающиеся по часовой стрелке и против. На концах располагаются электроды. При подаче напряжения возникает торсионновращательная динамика: пучок скручивается, а при смене полярности раскручивается. Как и многое другое в современных инновационных технологиях, идея скручивающего вращения позаимствована человеком у природы. Так работают мышцы в щупальцах осьминогов, в слоновьих хоботах. По словам ученых, создавать такие пучки несложно, при этом их длина может произвольно варьироваться. Разработка, безусловно, найдет применение в различных областях микро- и нанотехнологий, в частности, как основа микронасосов, клапанов, смесителей. 5

Капиллярные явления Поверхностные явления на границе жидкости с другой средой, связанные с искривлением ее поверхности в результате действия поверхностного натяжения жидкости. Капли воды на паутине (иллюстрация из журнала Nature). 6

7

8

Применение капиллярных явлений при получении наноматериалов на основе УНТ (массивы УНТ в этаноле) (а) SEM-изображение ячеистой структуры, сформировавшейся при высыхании массива УНТ высотой 50 мкм, синтезированного на 5 нм. Fe/Si. O 2; (b) увеличенное изображение «дна» ячейки. США 9

Структура, сформировавшаяся при высыхании массива УНТ высотой 1 мм, синтезированного на 1 нм. Fe/Al 2 O 3/Si. O 2. (a) Островки соединены прядями УНТ, образовавшимися при их сдвиге и разделении; (b) увеличенное изображение края отдельного островка. Видно, что на подложке нет лежащих нанотрубок. 10

SEM–изображение (а) и схема (b) уплотнения леса ориентированных ОСНТ под действием одной капли жидкости. 11

Технология «капиллярного формирования» (capillary forming) нанотрубок Разработка группы Джона Харта, Мичиганский университет 12

13

Безопасность наномедицинских систем Полимерные наносистемы, уже использующиеся в медицине, могут адсорбироваться на поверхностях, типичных для окружающей среды. Лекарственные препараты, инкапсулированные в наночастицы, могут выводиться из организма в систему канализации, откуда могут попадать в окружающую среду, угрожая экологической безопасности. Обнаружена тенденция к увеличению концентрации наночастиц при движении от подножия к вершине пищевой пирамиды, при этом в организм животных уже может попасть такое количество наночастиц, которое будет опасно для этих организмов. Частицы полиэтиленгликоля на целлюлозе. 14

Стержни гексафенил-дикарбонитрила самостоятельно образуют трехлопастной ротор. При воздействии тепловой энергии они начинают вращаться внутри сотообразной клетки. Изображение Johannes V. Barth 15

Ученым из Мюнхенского технического университета (TUM) удалось проконтролировать самосборку стержневидных молекул в наноразмерный ротор. Миниатюрные системы предназначены для изучения сил, воздействующих на молекулы в клеточных структурах и на поверхностях, Профессор Иоганнес Барт (Johannes Barth) и его команда с факультета физики Мюнхенского технического университета в сотрудничестве с профессором Марио Рубеном (Mario Ruben) и другими учеными из Технологического института Карлсруэ (Германия) провели успешный эксперимент, в ходе которого им удалось захватить стержневидные молекулы в двумерную сеть таким образом, что они самостоятельно формировали небольшие роторы, вращающиеся в сотообразных клетках. Образцы таких самоорганизованных систем можно увидеть и в природе: белки располагают действующие вещества так близко друг к другу, что происходит реакция, возможная только при непосредственной близости веществ. Эти эффекты используются в катализаторах: поверхностные реактанты находят дорогу друг к другу на поверхности посредников. Однако, заветная мечта использовать эффекты самоорганизации в самостоятельной сборке наномашин до сих пор остается делом будущего. 16

Ротор, разработанный в г. Гарчинге (Германия), - важный шаг в этом направлении. Физики собрали широкомасштабную нанорешетку, позволив взаимодействовать между собой атомам кобальта и стержневым молекулам гексафенил-дикарбонитрила (sexiphenyl-dicarbonitrile) на серебряной поверхности. В результате получается сотообразная решетка, характеризующаяся крайней регулярностью и поразительной устойчивостью. Как и графен, за открытие которого несколько недель назад была вручена Нобелевская премия, эта решетка имеет толщину в один атом. Когда исследователи добавили молекулярных строительных элементов, стержни внезапно объединились (в основном, по три элемента в группе) в сотообразной клетке, в то время как близлежащие клетки остались пустыми. Должна быть причина, почему близкие молекулы самостоятельно объединяются в тройки. С помощью сканирующей туннельной микроскопии ученые смогли это выяснить. Три молекулы ориентируются таким образом, что азотные концы каждой получаются обращены к атому водорода фенильного кольца. Такое расположение трехлопастного ротора настолько энергетически выгодно, что молекулы удерживают эту структуру, даже когда тепловая энергия заставляет его вращаться. 17

Так как сотообразные клетки не круглые, а шестигранные, есть два различных положения роторов, которые можно различить в результате взаимодействия между внешними атотами азота и атомами водорода клеточной стенки. Более того, три молекулы располагаются по часовой и против часовой стрелки. Экспериментируя с различными, тщательно контролируемыми температурами физикам удалось заморозить все четыре состояния и изучить их более близко. Таким образом они смогли определить пороговую энергию, ориентируясь на температуру, при которой вращение возобновлялось. «Мы надеемся, что в будущем сможем развить эти простые механические модели до оптических или электронных переключателей, - сказал профессор Иоганнес Барт. – Мы можем установить специальный размер клеток, расположить рядом с ними молекулы и изучать взаимодействие с поверхностью и клеточной стенкой. У этих самоорганизующихся структур невероятный потенциал» . 18

19

Наноалмазный подшипник – один из возможных продуктов массового производства «нанофабрики» Дрекслера. 20

Находящиеся в разных частях пласта нанороботы будут обмениваться информацией. Они будут управлять другом, и решать, в каких зонах нужно усилить отбор нефти, а в каких форсировать заводнение. Более того, концепцию нанороботов отстаивали некоторые авторы и на научнотехнических конференциях нефтегазового профиля (Sakhawat, 2004; Bhat and Singh, 2006). «Нанонефтяник» (рисунок с сайта http: // www. thelensflare. com/ gallery/ p_nanobot_223. php). 21

Супрамолекулярные устройства Супрамолекулярное устройство можно определить как комплексную систему, сконструированную из молекулярных компонентов, обладающих определенными индивидуальными свойствами. Эти свойства присущи молекулярному компоненту вне зависимости от того, является ли он частью устройства или нет. Активные компоненты • Осуществляют заданную операцию Структурные компоненты • Задают необходимое расположение активных компонентов Вспомогательные компоненты • Модифицируют свойства активных и структурных компонентов 22

Супрамолекулярные устройства Молекулярные устройства Фото- и электрохимические устройства Материалы для нелинейной оптики Устройства для преобразования света Молекулярные провода Фотохимические сенсоры Молекулярные выпрямители Флуорофоры Молекулярные переключатели Электрохимические сенсоры 23

Фото- и электрохимические супрамолекулярные устройства Схематическое представление фотохимического молекулярного устройства для фотоиндуцированного аккумулирования электронов и многоэлектронного катализа. 24

Реальное фотохимическое устройство, способное реализовывать превращения подобного вида. 25

Молекулярные сенсоры Критерии конструирования сенсоров: Øстабильность; Øселективность; Øсродство гостя к хозяину; Øэффективное преобразование сигнала; Øкинетически быстрое детектирование; Øпростота передачи сигнала на записывающее устройство; Øдоступность. 26

Схематическое изображение устройства фотохимического сенсора. 27

Молекулярные электронные устройства Примеры молекулярных выпрямителей. 28

р. Н- и электрохимически переключаемый молекулярный челнок на основе [2]ротаксана. 29

Активация молекул ротаксана и катенана Эти молекулы особенны тем, что при захвате молекулой электрона может изменить свой энергетический потенциал, а находясь в составе наносистемы изменить положение в пространстве. Так, ротаксаны в наносистемах движутся линейно, в то время как катенаны вращаются вокруг оси стержня, на котором находятся. 30

31

ДНК-нанопереключатель, основанный на переходе B-формы ДНК в Z-форму. 32

33

34

35

36