Нано-пропеллеры качают с правильной химией
Создание молекулярных насосов для работы на клеточном уровне открывает возможности для точной доставки лекарств и регуляции потоков в клетках. Однако разработка такого наномасштабного оборудования сложна.
Химики из Университета Иллинойса в Чикаго создали теоретическую модель сборки нанопропеллера с лопастями молекулярного размера.
Исследование было отмечено в рубрике Research Highlights в выпуске Nature от 12 июля и представлено на обложке Physical Review Letters от 28 июня.
С помощью классического молекулярно-динамического моделирования Петр Краль и его коллеги изучили работу крошечных пропеллеров в реалистичных микроскопических условиях.
В отличие от предыдущих работ, посвящённых вращению молекулярных устройств в газовых потоках, группа Краля впервые исследовала перекачку жидкостей — воды и масел — молекулярными пропеллерами.
Группа обнаружила, что на молекулярном уровне химия поверхности лопастей и их сродство к воде играют ключевую роль в эффективности насоса. В отличие от макромира, гидрофобные (отталкивающие воду) лопасти эффективно перекачивают воду. Гидрофильные (притягивающие воду) лопасти забиваются молекулами воды и работают плохо.
«Скорость и эффективность перекачки в гидрофильной и гидрофобной формах могут отличаться на порядок, чего мы не ожидали», — отметил Краль.
Эффективность пропеллера в жидкостях оказалась чрезвычайно чувствительной к размеру, форме, химическому или биологическому составу лопастей.
«В принципе, мы могли бы прикрепить к лопастям биологические молекулы и создать пропеллер, который работал бы только в присутствии в растворе других, биосовместимых с ними молекул», — пояснил учёный.
Эти результаты указывают на новые факторы, которые необходимо учитывать при разработке наномасштабных насосов. Однако, по словам Краля, реализация такой технологии займёт ещё несколько лет из-за сложности создания ультрамалых устройств.
Лаборатория Краля изучает, как биологические системы (например, жгутики бактерий) могут помочь в создании гибридных наноустройств, сочетающих биологическую и неорганическую химию.
«XXI век будет посвящён гибридным биологическим и искусственным наномасштабным системам и их совместной коэволюции. Моя группа работает примерно над полдюжиной таких проектов. Я оптимистично смотрю на такие наноразработки», — прогнозирует Краль.