Подсолнухи отслеживают движение солнца с востока на запад. Но людям обычно приходится преобразовывать солнечный свет в электричество или тепло, чтобы использовать его энергию.
Теперь группа химиков из Университета Флориды последней сообщила о новом механизме прямого преобразования света в движение, хотя и в очень, очень, очень крошечном масштабе.
В статье, которая, как ожидается, скоро появится в онлайн-издании журнала Nano Letters, команда UF сообщает о создании нового типа «молекулярного наномотора», приводимого в движение только фотонами или частицами света. Хотя это не первый наномотор, управляемый фотонами, это почти бесконечно малое устройство является первым, полностью построенным из одной молекулы ДНК, что придает ему простоту, которая увеличивает его потенциал для разработки, производства и реальных приложений в самых разных областях, от медицины до производство, говорят ученые.
«Его легко собрать, он состоит из меньшего количества деталей и теоретически должен быть более эффективным», - сказал Хуайчжи Канг, докторант по химии в Университете Флориды и первый автор статьи.
Масштаб наномотора почти исчезающе мал.
В сложенном или закрытом виде наномотор имеет размеры от 2 до 5 нанометров - от 2 до 5 миллиардных долей метра. В незамкнутой форме он имеет длину от 10 до 12 нанометров. Хотя ученые говорят, что их расчеты показывают, что он использует значительно больше энергии света, чем традиционные солнечные элементы, сила, которую он оказывает, пропорциональна его небольшому размеру.
Но это не обязательно ограничит его потенциал.
В ближайшие годы наномотор может стать компонентом микроскопических устройств, которые восстанавливают отдельные клетки или борются с вирусами или бактериями. Хотя на концептуальной стадии этим устройствам, как и более крупным, для работы потребуется источник питания. Поскольку наномотор сделан из ДНК, он биосовместим. В отличие от традиционных энергетических систем, нанодвигатель также не производит отходов, когда преобразует световую энергию в движение.
«Подготовка молекул ДНК относительно проста и воспроизводима, а материал очень безопасен», - сказал Ян Чен, докторант химии UF и один из авторов статьи.
Приложения в большом мире более далеки. Приведение в действие транспортного средства, работа сборочной линии или иная замена традиционного электричества или ископаемого топлива потребуют неисчислимых триллионов наномоторов, работающих вместе в тандеме - трудная задача по любым меркам.
«Главная трудность впереди», - сказал Вейхонг Тан, профессор химии и физиологии Университета Флориды, автор статьи и руководитель исследовательской группы, сообщающей о результатах. «Вот как можно собрать силу молекулярного уровня в когерентную накопленную силу, которая может выполнять реальную работу, когда двигатель поглощает солнечный свет».
Тан добавил, что группа уже начала работу над проблемой.
«Некоторые прототипы наноструктур ДНК, включающие одиночные фотопереключаемые двигатели, находятся в процессе создания, которые будут синхронизировать молекулярные движения для накопления сил», - сказал он..
Чтобы создать наномотор, исследователи объединили молекулу ДНК, которую они создали в лаборатории, с азобензолом, химическим соединением, которое реагирует на свет. Фотон высокой энергии вызывает один ответ; понизить энергию другого.
Чтобы продемонстрировать движение, исследователи прикрепили флуорофор или излучатель света к одному концу наномотора и гаситель, который может гасить излучаемый свет, к другому концу. Их приборы регистрировали интенсивность испускаемого света, которая соответствовала моторному движению.
«Излучение действительно заставляет вещи двигаться от вращения колес радиометра до поворота подсолнухов и других растений к солнцу», - сказал Ричард Заре, выдающийся профессор и председатель кафедры химии Стэнфордского университета. «То, что сделали профессор Тан и его коллеги, - это создание умного наномотора, приводимого в действие светом, включающего одну молекулу ДНК. Я считаю, что это первый в своем роде».
Национальный институт здравоохранения и Национальный научный фонд финансировали исследование. Другими соавторами этой статьи являются Хайпэн Лю, Джозеф А. Филлипс, Цзэхуи Цао, Янгми Ким, Цзуни Ян и Цзяньвэй Ли.