Демоны Максвелла могут жить на наноуровнях бытия

Шотландские химики разработали наноустройство, работающее как клапан, разрешающий движение молекул лишь в одном направлении. Самое необычное в новом молекулярном приборе то, что с его помощью молекулы покидают наиболее термодинамически выгодное положение. Последнее обстоятельство доказывает, что искусственно созданные наноструктуры могут вести себя подобно биологическим системам, работающим в каждой живой клетке.

Дэвид Лейг (David Leigh) с соавторами из Университета Эдинбурга разработали молекулярный мотор, приводящийся в движение светом, для выполнения задачи, впервые формулированной Джеймсом Клерком Максвеллом (James Clerk Maxwell) в 1867 году. Знаменитый физик предложил «сверхъестественный» способ нарушения второго закона термодинамики, запрещающего самопроизвольный перенос тепловой энергии от менее нагретого к более нагретому физическому телу. Максвелл предложил следующую абстракцию: для нагревания более горячего тела за счет более холодного маленький демон должен играть роль своего рода диспетчера в движении газообразных молекул. Демон Максвелла должен открывать ворота между двумя емкостями с газом, пропуская в одну емкость частицы, движущиеся с высокой скоростью, а в другую – с низкой. Если в ходе работы «демона-привратника» система не получает дополнительной энергии, она может самопроизвольно отклониться от состояния устойчивого термодинамического равновесия.

Однако очевидно, что для смещения положения равновесия без использования сверхъестественных сил система требует ввода энергии. Наномолекулярный прибор, созданный учеными из Эдинбурга может перемещать фрагменты молекулы в различные положения и приводится в действие светом.

Молекулярный прибор представляет собой ротаксан, состоящий из двух фрагментов (см. рисунок): длинную гантелеобразную молекулу (блокированную с обоих концов объемными бис-третбутилфенильными группировками), вокруг которой располагается макроциклическая краун-эфирная структура (обозначена красным на схеме), способная двигаться вдоль оси «гантели» между двумя различными структурными фрагментами (синий и зеленый цвета на рисунке).

Роль активируемых светом ворот в предлагаемом приборе играет стильбеновый фрагмент. В нормальном состоянии этот структурный элемент изогнут таким образом, что краун-эфирное кольцо фиксируется с одного конца ротаксанового стержня. Облучение системы светом приводит к тому, что уголковая конформация стильбенового фрагмента линеаризуется, в результате чего кольцо свободно перемещается к противоположному фрагменту «гантели» ротаксана. За счет светопоглощающих молекул растворителя возбуждение стильбена гасится, конформация вновь меняется от линейной к уголковой и «молекулярные ворота» запираются. Исследователи наблюдали точное положение ротаксанового кольца с помощью ЯМР. По прошествии времени они обнаружили, что подавляющее большинство краун-содержащих колец оказались локализованными на максимальном удалении от стильбенового сайта «гантели» – в менее термодинамически выгодном положении. Лейг отмечает, что его разработка – первый пример «молекулярного клапана», подобно демону Максвелла разрешающего движение частиц только в одном направлении.

Источник: Nature, 2007, 445, 523