Mokslo ir technologijų pasaulis

Raiso (Rice) universiteto profesorius Anatolijus Kolomeiskis (Anatoly Kolomeisky) kartu su savo studentu Alekseju Akimovu (Alexey Akimov) nagrinėja molekulinio rotoriaus veikimą. Savo darbą jie publikavo „Journal of Physical Chemistry C“ žurnale. Atlikę molekulių dinamikos skaičiavimus, mokslininkai nustatė pagrindinės molekulės, pritvirtintos prie aukso paviršiaus, sukamojo judėjimo savybes. Manoma, kad šių mažyčių variklių nagrinėjimas padės suprasti, kaip veikia molekuliniai motorai žmogaus kūne.

Pasak Kolomeiskio, jų aprašytas judėjimas yra dažnas gamtoje. Ryškiausias pavyzdys yra bakterijos žiuželis, kurio sukimasis yra panaudojamas judėjimui. „Kai žiuželis sukasi laikrodžio rodyklės kryptimi, bakterija juda pirmyn, kai jis sukasi prieš laikrodžio rodyklę – ji verčiasi. Dar mažesniame lygmenyje pavyzdžiu gali būti ATP sintazė. Joje vyksta sukimąsis, kurio atradimas buvo įvertintas Nobelio premija.

„Svarbu suprasti, kaip gaminti ir kontroliuoti molekulinius rotorius, nes tai leistų sukurti naujas mašinas, galinčias dirbti nanopasaulyje“, - pasakė Kolomeiskis. Jis mano, kad tada būtų galima gaminti, pavyzdžiui, nanofiltrus, kurie praleistų tik tam tikrą suderintą signalą, priklausantį nuo nanorotoriaus dažnio.

„Tai būtų labai reikalinga, nors ir brangi, medžiaga, - sakė jis - Jei aš sugebėčiau pagaminti šimtus tokių rotorių, kurie judėtų pagal mano komandą, būčiau labai laimingas.“

Profesorius ir jo studentas savo skaičiavimuose atmetė keletą parametrų, palikdami tik tuos, kurie juos labiausiai domino. Sumodeliuota molekulė viduryje turi sieros atomą, stipriai surištą su alkilo grandinės pora, kuri, medžiagą pakaitinus,  gali suktis lyg sparnai. Sieros atomas prikabina visą molekulę prie aukso paviršiaus.

Ankstesniame savo vykdytame tyrime mokslininkai dirbo su Taftso (Tufts) universiteto tyrėjais. Jų gautame fotografiniame vaizde (naudojant skenuojantį tunelinį mikroskopą) ant aukso paviršiaus matyti besisukančios sieros-alkilo molekulės. Temperatūrai didėjant vaizdas kito. Iš pradžių buvo matoma tiesinė molekulės struktūra, paskui pasirodė stačiakampės formos, ir galiausiai šešiakampiai. Tai rodė judėjimą. Neaiški buvo tik stebėto sukimosi priežastis. Jai nustatyti buvo reikalingas kompiuterinis modeliavimas. Skaičiavimuose teko išbandyti įvairiausias molekulės konfigūracijas, pavyzdžiui, su dviem simetrinėmis grandinėmis, dviem asimetrinėmis grandinėmis, ar su viena grandine. Išbandyti ir keli aukso paviršiaus tipai.

Nustatyta, kad simetrija ir aukso paviršiaus struktūra turi didžiulę įtaką rotoriaus gebėjimui pereiti energijos barjerą, kuris trukdo molekulei suktis. Jei abu molekulės sparnai yra arti aukso atomų, kurie stumia juos nuo savęs, barjeras yra didelis. Tačiau energijos barjeras yra žymiai mažesnis, jei vienas sparnas yra toliau nuo paviršiaus, arba jo iš viso nėra.

Taip pat nustatyta, kad simetrinis rotorius sukasi greičiau nei antisimetrinis. Ilgesniems antisimetrinio rotoriaus sparnams išjudinti reikia daugiau energijos. Tuo tarpu simetriniame rotoriuje sparnai vienas kitą atsveria: vienam artėjant prie paviršiaus, kitas nuo jo tolsta.

Pasak Kolomeiskio, pati cheminių ryšių tarp sieros ir alkilo prigimtis nulemia rotoriaus sukimąsi. Galiausiai, cheminė besisukančių grupių prigimtis yra taip pat labai svarbus faktorius.

Tyrimas atveria naujus kelius ieškant sudėtingesnių besisukančių molekulių. Nors ATP sintazės grandinės yra per didelės, kad jas būtų galima taip modeliuoti, „Kompiuterių pajėgumai didėja, tyrimų metodai tobulėja ir galbūt vieną dieną mes būsime pajėgūs analizuoti ir tokias ilgas molekules“, - teigė mokslininkas.