Тайваньские химики совершили невозможное: они собрали молекулярную матрешку-нанореактор
Мир молекул — это царство хаоса. Собрать из них что-то сложное — все равно что бросить в стиральную машину упаковку кирпичиков «Лего» и ждать, что при стирке детали сами соберутся в игрушечный космический корабль. Особенно трудно повторить трюки природы. Например, скопировать вирусы, которые, как идеальные контейнеры, собираются вокруг своей ДНК.
Долгие десятилетия подобное было для ученых непосильной задачей. Но вот совсем недавно команда под руководством профессора Йи-Цу Чана из Национального университета Тайваня совершила, казалось бы, невозможное. Исследователи не просто обуздали молекулярный хаос, они воплотили в жизнь то, что существовало лишь на картинках учебников или в фантастических романах. Им удалось создать прочную, идеальную клетку-в-клетке, похожую на матрешку, только в наномасштабе.
Главной проблемой было то, что молекулы — как капризные дети — предпочитают связываться с себе подобными, создавая беспорядок вместо сложной структуры. Ученые нашли способ их «приструнить». Они приделали к своим молекулярным «кирпичикам» специальные боковые группы — что-то вроде мягких, но объемных «шипов».
Эти «шипы» не давали одинаковым «кирпичикам» слипаться друг с другом. Но при этом оставляли возможность соединиться с парой, созданной специально для них. Это как если бы у вас были два типа деталей: с пазами и с шипами, которые подходят только друг к другу.
Когда их смешали в пробирке с ионами металла (кадмия), случилась самая настоящая магия порядка. Молекулы соединились в идеальную структуру, именно так, как было задумано. Никакого брака, никакого хаоса, контроль на 100%!
Следующий шаг был намного труднее. Используя уже проверенный метод, ученые взяли более сложные, многохвостые молекулы и собрали из них гигантскую конструкцию [Cd₃₀F¹₈V₆].

Рождение клетки-в-клетке
И да, получилась вполне себе тайваньская «матрешка». Внешняя оболочка была похожа на усеченный тетраэдр (что-то типа ограненного алмаза). Внутри него висела, не касаясь стенок, вторая фигура в форме октаэдра (как две соединенные основаниями пирамиды). Кроме того, вся конструкция прошита 12 гибкими «цепями», словно ремнями безопасности.
Следует отметить, что «матрешка» оказалась очень прочной. Большинство подобных структур разваливаются, стоит только поместить их в раствор. А эта в буквальном смысле получилась «железобетонная».
Чтобы полностью оценить крепость матрешки, ученые провели хитрый эксперимент. Исследователи попытались заставить две почти идентичные клетки поменяться «кирпичиками». Оказалось, что этот процесс занимает больше 7,5 месяцев!
При этом самой простой (базовый) элемент этой конструкции живет в растворе всего 34 секунду. Но когда кирпичики собираются вместе, срок их жизни вырастает в сотни тысяч раз.
Однако главная сенсация обнаружилась, когда ученые решили использовать «матрешку». Выяснилось, что внутренняя полость клетки представляет собой идеальную «пробирку» в наномасштабе.
Исследователи загрузили внутрь соли золота и добавили восстановитель. Клетка выступила в роли нанореактора. Внутри нее, в строгом ограниченном пространстве, образовались наночастицы золота идеального размера — 2.8 нанометра. Они были однородными, как калиброванные шарики.

Молекулярная нанолаборатория
А вот без клетки снова возник хаос. Частицы золота слипались в комки разного размера, совершенно бесполезные для высокоточных технологий.
Таким образом, стало окончательно понятно, что клетка-матрешка — это идеальная форма для отливки нанодеталей.
Возникает вопрос: почему ученые пришли в состояние дикой радости, когда удалось «сделать наноматрешку»? Дело в том, что новая клетка-в-клетке — это отправная точка для научно-технической революции.
Один маленький пример. Сейчас вы пьете таблетку, и лекарство распространяется по всему организму, вызывая массу побочных эффектов. А теперь представьте капсулу-«матрешку». Она не распадется раньше времени в желудке и крови, найдет именно больную клетку (например, раковую) и выпустит лекарство только внутри нее, не поражая здоровые ткани.
В итоге химиотерапия будет без выпадения волос и тошноты, а антибиотики без вреда для микрофлоры кишечника.

Уже сейчас понятно, это потенциальная Нобелевская премия
Другой пример. Многие промышленные процессы требуют высоких температур, давления и токсичных катализаторов, вредящих экологии. Но это сейчас, а «клетки»-нанореакторы смогут проводить химические реакции при комнатной температуре, с высочайшей эффективностью и без опасных отходов.
Для нас, простых людей, это означает более дешевые и «зеленые» товары: от топлива и пластика до лекарств и удобрений. Это снизит вред для планеты и, возможно, цены в магазине.
Появятся новые источники энергии. Сейчас аккумуляторы телефонов и электромобилей имеют ограниченную емкость и медленно заряжаются. А «наноматрешки» можно будет использовать для создания новых материалов для батарей, которые будут хранить больше энергии и заряжаться за секунды. Появятся электромобили с запасом хода 1500 км и 5-минутной зарядкой. Смартфоны смогут легко работать неделю без розетки.
Также следует ждать умных материалов с уникальными свойствами. Сейчас одежда пачкается, стекла бликуют, краска выцветает. Новые материалы будут самоочищаться, как лист лотоса, менять свойства (пропускать или отражать тепло по команде), самовосстанавливаться, как кожа на ране. Поэтому будут куртки, которые не надо стирать, окна, которые не мерзнут зимой, кузов автомобиля, сам заживляющий царапины.
Иными словами, «наноматрешка» — это не просто красивая игрушка для ученых. Это фундаментальный шаг к тому, чтобы мы могли создавать материалы и устройства не «грубо, из топора», как сейчас, а с атомной точностью, как это делает природа. И это кардинально изменит все — от медицины и энергетики до повседневных вещей, которые нас окружают.
Долгие десятилетия подобное было для ученых непосильной задачей. Но вот совсем недавно команда под руководством профессора Йи-Цу Чана из Национального университета Тайваня совершила, казалось бы, невозможное. Исследователи не просто обуздали молекулярный хаос, они воплотили в жизнь то, что существовало лишь на картинках учебников или в фантастических романах. Им удалось создать прочную, идеальную клетку-в-клетке, похожую на матрешку, только в наномасштабе.
От идеи до прорыва: как заставить молекулы слушаться
Главной проблемой было то, что молекулы — как капризные дети — предпочитают связываться с себе подобными, создавая беспорядок вместо сложной структуры. Ученые нашли способ их «приструнить». Они приделали к своим молекулярным «кирпичикам» специальные боковые группы — что-то вроде мягких, но объемных «шипов».
Эти «шипы» не давали одинаковым «кирпичикам» слипаться друг с другом. Но при этом оставляли возможность соединиться с парой, созданной специально для них. Это как если бы у вас были два типа деталей: с пазами и с шипами, которые подходят только друг к другу.
Когда их смешали в пробирке с ионами металла (кадмия), случилась самая настоящая магия порядка. Молекулы соединились в идеальную структуру, именно так, как было задумано. Никакого брака, никакого хаоса, контроль на 100%!
Рождение матрешки: почему это так сложно и так важно
Следующий шаг был намного труднее. Используя уже проверенный метод, ученые взяли более сложные, многохвостые молекулы и собрали из них гигантскую конструкцию [Cd₃₀F¹₈V₆].

Рождение клетки-в-клетке
И да, получилась вполне себе тайваньская «матрешка». Внешняя оболочка была похожа на усеченный тетраэдр (что-то типа ограненного алмаза). Внутри него висела, не касаясь стенок, вторая фигура в форме октаэдра (как две соединенные основаниями пирамиды). Кроме того, вся конструкция прошита 12 гибкими «цепями», словно ремнями безопасности.
Следует отметить, что «матрешка» оказалась очень прочной. Большинство подобных структур разваливаются, стоит только поместить их в раствор. А эта в буквальном смысле получилась «железобетонная».
Чтобы полностью оценить крепость матрешки, ученые провели хитрый эксперимент. Исследователи попытались заставить две почти идентичные клетки поменяться «кирпичиками». Оказалось, что этот процесс занимает больше 7,5 месяцев!
При этом самой простой (базовый) элемент этой конструкции живет в растворе всего 34 секунду. Но когда кирпичики собираются вместе, срок их жизни вырастает в сотни тысяч раз.
Не лабораторная игрушка, а фабрика будущего
Однако главная сенсация обнаружилась, когда ученые решили использовать «матрешку». Выяснилось, что внутренняя полость клетки представляет собой идеальную «пробирку» в наномасштабе.
Исследователи загрузили внутрь соли золота и добавили восстановитель. Клетка выступила в роли нанореактора. Внутри нее, в строгом ограниченном пространстве, образовались наночастицы золота идеального размера — 2.8 нанометра. Они были однородными, как калиброванные шарики.

Молекулярная нанолаборатория
А вот без клетки снова возник хаос. Частицы золота слипались в комки разного размера, совершенно бесполезные для высокоточных технологий.
Таким образом, стало окончательно понятно, что клетка-матрешка — это идеальная форма для отливки нанодеталей.
10-20 лет спустя
Возникает вопрос: почему ученые пришли в состояние дикой радости, когда удалось «сделать наноматрешку»? Дело в том, что новая клетка-в-клетке — это отправная точка для научно-технической революции.
Один маленький пример. Сейчас вы пьете таблетку, и лекарство распространяется по всему организму, вызывая массу побочных эффектов. А теперь представьте капсулу-«матрешку». Она не распадется раньше времени в желудке и крови, найдет именно больную клетку (например, раковую) и выпустит лекарство только внутри нее, не поражая здоровые ткани.
В итоге химиотерапия будет без выпадения волос и тошноты, а антибиотики без вреда для микрофлоры кишечника.

Уже сейчас понятно, это потенциальная Нобелевская премия
Другой пример. Многие промышленные процессы требуют высоких температур, давления и токсичных катализаторов, вредящих экологии. Но это сейчас, а «клетки»-нанореакторы смогут проводить химические реакции при комнатной температуре, с высочайшей эффективностью и без опасных отходов.
Для нас, простых людей, это означает более дешевые и «зеленые» товары: от топлива и пластика до лекарств и удобрений. Это снизит вред для планеты и, возможно, цены в магазине.
Появятся новые источники энергии. Сейчас аккумуляторы телефонов и электромобилей имеют ограниченную емкость и медленно заряжаются. А «наноматрешки» можно будет использовать для создания новых материалов для батарей, которые будут хранить больше энергии и заряжаться за секунды. Появятся электромобили с запасом хода 1500 км и 5-минутной зарядкой. Смартфоны смогут легко работать неделю без розетки.
Также следует ждать умных материалов с уникальными свойствами. Сейчас одежда пачкается, стекла бликуют, краска выцветает. Новые материалы будут самоочищаться, как лист лотоса, менять свойства (пропускать или отражать тепло по команде), самовосстанавливаться, как кожа на ране. Поэтому будут куртки, которые не надо стирать, окна, которые не мерзнут зимой, кузов автомобиля, сам заживляющий царапины.
Иными словами, «наноматрешка» — это не просто красивая игрушка для ученых. Это фундаментальный шаг к тому, чтобы мы могли создавать материалы и устройства не «грубо, из топора», как сейчас, а с атомной точностью, как это делает природа. И это кардинально изменит все — от медицины и энергетики до повседневных вещей, которые нас окружают.
- Дмитрий Алексеев
- phys.org, hdpic.club, acs.org
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Что случится с Сибирью к 2080 году: прогноз красноярских ученых и эксперта NASA
Арбузы вместо мерзлоты, большая ложка дегтя и открытый финал — в одном из самых обстоятельных исследований о будущем России...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...
Почти детективная история: в Ленобласти обнаружен самый большой клад серебра за всю историю
Среди находок две уникальные монеты, которых всего четыре в мире, включая, а также языческие вороны Одина… среди православных крестов...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
Искусственный интеллект «ненавидит»… белых мужчин: новое исследование еще раз подтвердило западный тренд
Появление нейросетей значительно ухудшило положение одной из групп белого населения в Америке и Европе...
100-летняя страшная история с черепами у древнеегипетских гробниц наконец-то прояснилась
Неожиданно оказалось, что человеческие жертвоприношения 5000 лет назад совершались совсем не так, как описано в древних табличках...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...
Тайна Мертвого моря: что «кипятит» водоем изнутри, рассказали ученые
Оказалось, что в кристалликах соли скрыта история прошедших эпох...
Главный поджигатель в истории Австралии: почему ученые обвиняют капитана Джеймса Кука в постоянных мегапожарах на Зеленом континенте?
Воскрешение традиции, которую сломали британские колонизаторы, поможет «потушить» Пылающую Австралию...
Секрет марсианского «невозможного» облака-призрака наконец-то разгадан
Как оказалось, на Красной планете работает физика, которая на Земле считалась чистой теорией...