Исследователи из Университета Амстердама определили скорость работы двух наномашин или молекулярных машин, созданных искусственно с помощью нанотехнологии. Они изучили молекулярное колесо и молекулярный мотор, управляемые светом. Обе машины образованы несколькими десятками атомов.
В своем эксперименте исследователи использовали метод ядерного спинового резонанса и сверхбыстрые лазеры. Наномашины растворили в органическом растворителе под названием ацетонитрил. Было замечено, что после добавления небольшого количества воды молекулярные машины начали двигаться с новой скоростью. Трех процентов воды оказалось достаточно, чтобы увеличить скорость движения в два раза.
Разбавление раствора аналогами воды дало положительный результат, но с меньшим полезным эффектом, чем в первом случае. Бутанол, который по своим свойствам занимает промежуточную позицию между водой и смазочным маслом, как ни странно замедлил движение экспериментальных машин.
Однако до сих пор не до конца ясно, почему вода является лучшим смазочным материалом для наномашин. Исследователи полагают, что смазочный эффект связан с водородными (слабыми) связями между группами атомов. Для того, чтобы машина сдвинулась с места, необходимо временно разрушить водородную связь. Однако сделать это не так просто. Как правило, половинки разрушенной связи быстро вновь соединяются друг с другом, препятствуя тем самым началу движения наномашины. Взаимодействуя с молекулами воды, эти две половинки могут образовывать новые водородные связи. В результате водородные связи между движущимися частями машины дольше остаются разрушенными – внутреннее трение уменьшается, скорость движения увеличивается.
Молекулы воды мелкие, подвижные и легко образуют водородные связи, что делает их идеальным кандидатом на роль ускорителя наномашины.
Можно сказать, что открытие было сделано случайно. Эксперимент начался, когда исследователи обнаружили, что скорость движения молекулярных двигателей зависит от остатков воды в растворителе. При частом открывании пробирки с раствором в нее попадает и растворяется небольшое количество воды из воздуха. В разных пробирках оказывалось разное количество воды. Чем больше воды, тем сильнее эффект.
Открытие важно для проектирования и оптимизации наномашин следующего поколения. Возможности применения таких машин широки, начиная молекулярными компьютерами и заканчивая поверхностями с изменяемыми свойствами. Более того, водородные связи присутствуют в существующих в природе биологических молекулярных машинах, где вода также применяется как смазочный материал.