Молекулы скорости: во Франции прошли гонки суперкаров размером в несколько нанометров
Таким испытанием оказалась и гонка, прошедшая весной 2022 года во Франции: участники ее оставались на трассе 24 часа, преодолев за это время до тысячи... нанометров. Впрочем, такая дистанция неудивительна: в заездах участвовали молекулярные машины. Первые соревнования Nanocar Race прошли в Центре разработки материалов и структурных исследований (CEMES) в Тулузе еще в 2017 году. Тогда победителем гонок стала австрийская команда NanoPrix, нанокар которой развил скорость 95 нм/ч. Впрочем, назвать Nanocar Race гонкой можно лишь условно: скорее, это состязание ученых-экспериментаторов, занятых разработкой методов и инструментов контроля за молекулярными машинами. Специалистам требуется не только спроектировать подходящий болид, но и синтезировать его, хранить, переносить, визуализировать под микроскопом – и конечно, управлять движением по треку.
Трассой для молекулярных машин служит золотая кристаллическая подложка, помещенная в глубокий вакуум при криогенной температуре тоннельного микроскопа. Сверхтонкая игла – зонд такого инструмента – подает слабый ток, оставаясь на небольшом расстоянии от проводящей поверхности. Это позволяет «сканировать» ее с разрешением до отдельных молекул и даже атомов или манипулировать объектами соответствующей величины. Такая энергия приводила в движение и гоночные нанокары, которые перемещались в заданном направлении, реагируя на электрические импульсы.
Заезды Nanocar Race II были запланированы на 2019 год, однако пандемия заставила отложить мероприятие на пару лет. К старту вторых гонок подошли восемь команд – представителей разных вузов и стран, которые использовали нанокары самых разных конструкций, с двумя или четырьмя колесами, всевозможных размеров и форм. Для каждого болида выделили собственный тоннельный микроскоп и золотую подложку, на которой были начерчены треки – зигзагообразные линии шириной 4–6 нм, с разворотами. Температуру на трассе довели до –268 °C, давление – до 10–19 мбар, гоночные молекулы расставили по местам – и 24 марта 2022 года гонки Nanocar Race II начались. Члены команд управляли своими болидами дистанционно, через интернет, а зрители следили за происходящим в онлайн-трансляции.
Заезды на выносливость продолжались сутки без перерыва; за это время участники столкнулись с целым рядом опасных ситуаций, от вылета с дорожки до случайного прилипания нанокара к зонду микроскопа. Болид команды Toulouse-Nara и вовсе оказался утерян, что при таких размерах немудрено. А лучшими в гонке стали молекулы команд NANOHISPA и NIMS-MANA, которые за 24 часа «проехали» 54 круга, причем NIMS-MANA преодолел чуть больше 1 микрона – невероятное для нанокара расстояние, перекрывшее рекорд первых Nanocar Race.
Но самое интересное здесь, пожалуй, то, что болиды использовали разные принципы движения. Одни нанокары обладали собственным дипольным моментом, который позволял реагировать на тоннельный ток, другие же устремлялись вперед под действием неупругого туннелирования. Теперь специалисты будут анализировать результаты гонок с тем, чтобы нанокары будущего могли перемещаться быстрее и точнее – и не только на особой трассе, но и везде, где они пригодятся людям.