Почти Ле Ман: в 24-часовой гонке победила молекулярная машина, проехавшая 1 микрон

Самая маленькая и самая медленная, но вместе с тем невероятно интересная гонка вернулась спустя 5 лет. 24 марта 2022 года учёные из Германии, Испании, Японии, Франции и других стран выясняли, у кого получился самый быстрый нанокар (транспортное средство, каждое из которых представляет собой единственную молекулу, состоящую приблизительно из сотни атомов). Как прошла гонка Nanocar Race II и что это вообще такое — в материале Cloud4Y.

Как возникла Nanocar Race

Nanocar Race — это не совсем соревнование. Скорее это международный научный эксперимент, который проводится в режиме реального времени с целью тестирования производительности молекулярных машин и научных инструментов, используемых для их контроля. Мероприятие не просто демонстрирует невероятную точность работы с молекулярными структурами, придуманные для гонки технологии могут привести к созданию электроники и датчиков меньшего размера.

Можно принять молекулярные гонки как шутку учёных, но фактически это одно из немногих научных исследований, за которым может понаблюдать любой человек. Поэтому на радость публике Nanocar Race решили транслировать в интернете.

Идея подобных гонок возникла в 2013 году у старшего научного сотрудника CNRS Кристиана Йоакима (теперь директора гонки) и Гвеена Рапена, профессор химии в Université Toulouse III — Пола Сабатье. Кристиан рассказывал, что изначально он хотел создать молекулу с колёсами. Когда это удалось, он понял, что таким транспортом можно управлять. Тогда он сразу решил устроить гонку между наноболидами.

Опубликовав свои размышления о возможности таких гонок в журнале ACS Nano, учёные объявили приём заявок от команд, желающих принять участие в этом необычном мероприятии. Старт гонки назначили на 2016 год, но затем перенесли на 2017. Такая отсрочка требовалась для того, чтобы команды могли создать конкурентоспособный нанокар. Одновременно с этим решались организаторские вопросы. Нужно было определиться с треком для болидов, ведь трасса должна была подходить для всех типов нанокаров. Кроме того, возникал вопрос с выбором и настройкой микроскопа, который будет снимать заезд.

Командам-участницам также пришлось преодолеть ряд сложных задач (хранение и визуализацию молекул под микроскопом), а также привести свой нанокар в соответствие с требованиями (это касалось структуры молекул и способу движения) для получения допуска к гонке. Из девяти команд допуск к заезду получили лишь шесть.

Первая гонка

Организаторы первой гонки решили, что нанокары будут 36 часов двигаться по покрытому золотом треку, а энергию для движения черпать из слабых ударов током, подаваемых специальным устройством. Для большей сложности трассу сделали искривлённой. 

Правила гонки звучали так:

• Место — Тулуза, Франция;

• Трасса: примерно 100 нанометров с двумя поворотами на 45°;

• Продолжительность гонки 36 часов;

• Разрешено заменить нанокар в случае аварии;

• Запрещено подталкивать нанокар;

• Один сектор золотой поверхности на команду;

• Максимум 6 часов на очистку части трассы перед началом гонки;

• Никаких изменений в болид в течение 36 часов.

Несмотря на молекулярную природу, нанокары весьма похожи на настоящие автомобили, у каждого из них будет своего рода кузов, оси и вращающиеся колеса. За каждым нанокаром следовал наконечник электронного сканирующего микроскопа, электрический потенциал на котором и являлся той силой, которая будет двигать молекулу по поверхности золотого трека. Гонка проводилась в условиях глубокого вакуума, а трек и молекулы-автомобили охлаждались до -268 градусов Цельсия.

Движение крошечных автомобилей по треку отслеживалось при помощи специального инструмента LT-Nanoprobe, созданного специалистами компании ScientaOmicron для лаборатории Pico-Lab CEMES-CNRS в Тулузе. И этот инструмент является единственным в своём роде средством, способным увидеть, как крошечные транспортные средства движутся по металлической поверхности.

Победителями второй гонки стали наноболиды команд NANOHIPA и NIMS-MANA​. Оба сделали по 54 витков и покрыли 678 нм и 1054 нм соответственно. Первый продемонстрировал смену полосы движения для объезда, а второй пересек траншею и вернулся обратно. StrasNanocar занял третье место с длиной волны 476 нм и 28 витками

На серебряном покрытии автомобиль австрийско-американской команды из университетов Райса и Граца установил рекорд скорости с пиковой скоростью 95 нанометров в час, оказавшись наравне со швейцарской командой, учитывая, что движение одного и того же наноавтомобиля по серебряным поверхностям происходит медленнее, чем по золотым. Специфические свойства химической структуры, а также совершенно новая техника манипулирования (без трудоёмких этапов визуализации) сделали этот наноавтомобиль очень быстрым. Эти свойства позволили даже пройти дистанцию ​​более 1000 нанометров после завершения официальной гоночной трассы.

Американская команда из Университета Огайо по непонятной причине через 20 нанометров повернула назад, немецкая команда сломала 2 машины, не имея возможности перезапуститься, а японская команда в итоге сдалась. Французская команда потеряла свой автомобиль из виду и также была вынуждена отказаться от дальнейшего участия в гонке, утешая себя символическим призом «самый элегантный автомобиль в соревновании».

Вторая гонка

Nanocar Race II планировали провести в 2021 году, но из-за пандемии сроки сдвинулись. В результате заезды прошли с 24 по 25 марта 2022 года. 

На стартовую линию вышли следующие команды:

• GAzE (Германия),

• NANOHISPA (Испания/Швеция),

• NIMS-MANA (Япония),

• Ohio Bobcat Nanowagon (США),

• Rice-Graz NanoPrix (США/Австрия),

• San Sebastián–Santiago (Испания),

• StrasNanocar (Франция)

• Toulouse-Nara (Франция/Япония).

Нанокары, построенные на молекулярном уровне, приводились в движение на атомном уровне с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Победитель, размером три нанометра в длину и один нанометр в ширину, преодолел расстояние в один микрон (1 миллионная часть метра) за 24 часа, что стало самым большим расстоянием в соревновании. 

C₆₄H₂₂CuF₆N₄ — это и химическая формула и технические характеристики автомобиля, выигравшего 24-часовую гонку. Каждый из восьми автомобилей представлял собой сложную молекулу, состоящую примерно из 100-1000 атомов с различимыми передней и задней частями. 

Автомобиль был разработан командой NIMS-MANA из Цукубы, Япония. Джонатан Хилл, руководитель конструкторской группы, был приятно удивлён результатом. «Мы не так хорошо выступили в первой гонке в 2017 году. Мы даже не надеялись финишировать в тройке лучших», — сказал Хилл журналистам после заезда. «Специально для гонки мы сделали 10 разных молекул, из которых рабочими оказались три. Мы остановились на нашей молекуле-претенденте из 97 атомов, основываясь на ее способности эффективно скользить по гоночной трассе».

Каждое движение автомобиля представляло собой перемещение на несколько сотен пикометров. СТМ также использовался для сканирования и отображения положения автомобиля во время его движения по поверхности. Автомобили, находившиеся на соответствующих объектах восьми команд-участниц, управлялись дистанционно. По словам директора гонки Кристиана Йоахима, потребовалось два месяца работы и 1,5 километра кабелей (Ethernet, HDMI, питание), чтобы все участники могли управлять своими автомобилями через интернет. Также были приняты дополнительные меры для обеспечения защиты сети от взлома.

Наряду с уникальными транспортными средствами, особенным гонку сделало место проведения, гигантское сферическое сооружение под названием La Boule. Расположенный в кампусе CEMES (Centre d'Élaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales), он имеет диаметр 25 метров и в начале 1960-х годов в нем размещался самый большой в мире электронный микроскоп. 

Японская команда NIMS-MANA разделила первое место с испанской командой NANOHISPA, обе сделали около 54 поворота, проехав 1054 нм и 678 нм соответственно. Первый наноболид продемонстрировал смену полосы движения для объезда, а второй пересёк траншею и вернулся обратно. StrasNanocar занял третье место с расстоянием 476 нм и 28 поворотами.

По словам учёных, участие в таких гонках помогает лучше понять, как молекулы движутся, взаимодействуют с поверхностью или друг с другом, что важно для области молекулярных машин. Между прочим, разработчики технологии молекулярных машин получили Нобелевскую премию по химии в 2016 году. Молекулы, похожие на эти гоночные автомобили, в конечном итоге могут быть использованы для создания жидких кристаллов и органических полупроводников.

Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y

→ Малоизвестный компьютер SWTPC 6800

→ Сделайте Linux похожим на Windows 95

→ Как не позволить техническому долгу одолеть вас

→ WD-40: средство, которое может почти всё

→ Игры для MS-DOS с открытым исходным кодом

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем только по делу.