В конце апреля в Тулузе было тепло, но температура на гладкой позолоченной трассе приближалась к абсолютному нулю. Здесь, в глубоком вакууме туннельного микроскопа, прошли первые в истории гонки наномобилей — и до финиша добрались далеко не все.
Гонки на молекулах: краткий обзор молекулярных машинок


Green Buggy

TOULOUSE NANOMOBILE CLUB
Франция
Разработчик > Тулузский университет III им. Поля Сабатье
Конструкция > Жесткое шасси на четырех группах, каждая из которых вращается независимо под действием туннельного тока, перемещая болид на 0,3 нм за каждый полный оборот
Преимущества > Изогнутая форма шасси минимизирует взаимодействия с поверхностью подложки, которые могут снижать скорость на трассе
Прошел > 0 нм

100-нанометровую дистанцию участникам NanoCar Race было выделено более двух суток, хотя победитель определился уже через несколько часов: двухколесный гонщик развил бешеную скорость, которая позволила бы преодолеть сантиметр всего за 11,5 лет. Несмотря на это, борьба развернулась нешуточная. Соревнования держали в напряжении тысячи зрителей, которые следили за прямыми включениями из Центра разработки материалов и структурных исследований (CEMES) во французской Тулузе, пока участники заменяли и вновь ускоряли свои болиды и даже перезапускали автодром.


Dipolar Racer

NANOPRIX TEAM
США, Австрия
Разработчик > Университет Райса, Грацский университет
Конструкция > Два свободно вращающихся колеса на основе жесткой углеродной решетки адамантана. Ускоряется туннельными токами, действующими на заряженные группы в передней и задней частях шасси
Преимущества > Скорость так велика, что на золотой подложке болид не удается рассмотреть. Специальным решением жюри было разрешено использовать «замедляющую» серебряную подложку, на которой Dipolar Racer развил скорость 95 нм/ч
Прошел > 450 нм

Молекулярные машины разгонялись токами, которые протекали по тонкой — с острием в несколько атомов — игле сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Игла двигается в нескольких ангстремах над проводящей поверхностью, что позволяет осматривать ее с разрешением до атома или манипулировать отдельными частицами, подавая на них слабый туннельный ток. Под его действием перемещались и наномобили, хотя в остальном конструкторы проявили большую изобретательность, синтезировав молекулы с двумя и четырьмя колесами, парящие над трассой, как ховербайк, и даже ползущие на манер гусеницы.


Swiss Nano Dragster

SWISS TEAM
Швейцария
Разработчик > Базельский университет
Конструкция > Бесколесный «ховербайк», приводимый в движение за счет электромагнитных взаимодействий, которые возникают под действием токов между тремя плоскостями терпиридиновой группы и поверхностью золотой подложки
Преимущества > Простая и устойчивая структура повышенной выносливости, способная выдержать многочасовую гонку без разрушения
Прошел > 133 нм

Специально для NanoCar Race команда профессора CEMES Кристиана Иоахима собрала СТМ, способный манипулировать четырьмя иглами сразу, проводя наномобили по параллельным дорожкам. Однако этого оказалось мало: к финишным заездам были готовы сразу шесть команд, так что гонки проходили не только на основном «автодроме», но и еще на двух СТМ-установках, расположенных в Австрии и США. Утром 28 апреля старт был дан. К этому моменту молекулы каждой команды уже были напылены на золотую подложку, оставалось подогнать болиды к месту старта и начать разгон, входя в первый поворот.


NIMS-MANA car

NANO-VEHICLE NIMS-MANA
Япония
Разработчик > Национальный институт наук о материалах
Конструкция > Модуль из спаренных молекул нафталина меняет положение относительно шасси, заставляя болид двигаться на манер живой гусеницы. Второй модуль расположен симметрично для повышения надежности и скорости
Преимущества > «Шарнирная подвеска» модулей позволяет контролировать движение с высокой точностью, однако до начала гонок разработчики не успели испытать ее на золотой подложке
Прошел > 1 нм

Авария случилась уже через полчаса: нескоординированные действия японской команды Nano-Vehicle NIMS-MANA привели к зависанию основного микроскопа, из-за чего заезд пришлось прервать для перезагрузки СТМ. Зато после нового старта гонка пошла быстрее: стремительный швейцарский «нанодрагстер» претендовал на победу, но несколько раз терялся, и команда потратила драгоценные минуты на его замену. Победителем же оказался «дипольный гонщик» американо-австрийской команды NanoPrix, который развил бешеную скорость, добравшись до финиша за полтора часа и оторвавшись от пришедшего вторым «драгстера» на пять часов.


Bobcat Nano-Wagon

OHIO BOBCAT NANO-WAGON TEAM
США
Разработчик > Университет Огайо
Конструкция > На Н-образном шасси — четыре вращающихся колеса на основе кукурбитурила, округлой макроциклической структуры из пяти- и шестичленных азотсодержащих колец
Преимущества > Каждый оборот колеса продвигает багги на 0,3 нм вперед; по расчетам разработчиков, этого достаточно, чтобы преодолеть нужную дистанцию примерно за час
Прошел > 43 нм

Третья награда NanoCar Race досталась багги американской команды. Содержащий больше 500 атомов наномобиль также получил специальный приз как самый крупный болид гонок. Впрочем, ни ему, ни остальным трем участникам за 30 часов не удалось даже добраться до финиша (французский наномобиль и вовсе не смог сдвинуться с места). Несмотря на очевидный прогресс нанотехнологий, возможности манипуляции отдельными атомами и молекулами пока очень и очень ограниченны. Зато это направление развивается в потрясающем темпе, и уже от следующих гонок NanoCar Race болельщики ждут и большей конкуренции на трассе, и бóльших скоростей.


Windmill

NANO-WINDMILL COMPANY
ГЕРМАНИЯ
Разработчик > Дрезденский технический университет
Конструкция > Четыре молекулы бифенилацетила удерживаются водородными связями. Ток, воздействуя на одно из внешних бензоловых колец, заставляет систему двигаться в его направлении
Преимущества > Четыре независимых движителя обеспечивают высокую маневренность. Благодаря гибкой модульной конструкции болид можно быстро восстановить после аварии
Прошел > 11 нм

Статья «Гонки на молекулах» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2017).