Фізики з США і Японії змогли зняти коливання дімерних фуллеренів у вуглецевих нанотрубках з роздільною здатністю в 0,1 ангстрема, використовуючи електронний мікроскоп і швидкісну камеру. При цьому вченим вдалося довести кількість кадрів в секунду до 1600 - в 100 разів більше попереднього рекорду. Дослідження допоможе краще зрозуміти механіку роботи молекулярних машин. Стаття опублікована в журналі.
Молекулярні машини - це невеликі молекули, які можуть рухатися вздовж певних напрямків або здійснювати корисну роботу. За їх створення Нобелівський комітет у 2016 році присудив премію з хімії. У перспективі такі пристрої можуть використовуватися для адресної доставки ліків і створення молекулярної електроніки. Одним з перспективних матеріалів для створення молекулярних машин вважаються вуглецеві нанотрубки, на основі яких можна створювати нанодвигуни і молекулярні перемикачі.
У деяких машинах такого роду всередину нанотрубок поміщаються різні молекули. Однак при взаємодії зі стінками нанотрубки, молекули починають рухатися стохастично. При цьому їх переміщення виявляється неможливо описати, використовуючи існуючі результати спостережень. Досі вченим вдалося зняти процеси, що відбуваються всередині нанотрубок лише на швидкості в 12 кадрів в секунду з роздільною здатністю в два нанометри.
Дослідники зі США та Японії під керівництвом професора Ейіті Накамура (Eiichi Nakamura) з Токійського університету вперше змогли зняти поведінку молекул фуллерена всередині вуглецевої нанотрубки на швидкості 1600 кадрів на секунду. Для цього вони використовували абераційно-скоригований електронний мікроскоп, камеру прямого виявлення електронів і метод усунення шуму на основі повної варіації, який сьогодні також використовується для поліпшення якості інтернет-відео. За допомогою цих інструментів автори показали, як переміщуються вздовж нанотрубки і обертаються навколо своєї осі дімери фуллеренів C60.
Дослідники спостерігали приблизно 400 нанотрубок з молекулами фуллеренів протягом 10 хвилин. Вони виявили кілька десятків переміщень дімерів з одного кінця структури в інший. Також вчені вперше побачили, що коливання нанотрубки впливають на обертання і переміщення фуллеренів всередині неї. Виявилося, що кінетична енергія, яку фулерени отримують від трубки, змушує їх обертатися навколо своєї осі. Крім того, цієї енергії виявляється достатньо, щоб розірвати слабкі Ван-дер-Ваальсови взаємодії між дімерами C60 і змусити їх переміщатися всередині наноструктури. Пересування фулеренів всередині нанотрубки також призводить до її істотної деформації - приблизно на 19 відсотків.
Результати дослідження дозволяють краще зрозуміти принцип роботи молекулярних машин на основі нанотрубок. У майбутньому вчені планують збільшити часовий і просторовий дозвіл зйомки і більш докладно описати процеси, що відбуваються в наносистемах подібного роду.
Швидкісна камера дозволяє зафіксувати рух не тільки наноструктур, а й електромагнітних хвиль. У 2018 році дослідники змогли зняти поширення фемтосекундного лазерного імпульсу через скляну пластину зі швидкістю 10 трильйонів кадрів на секунду.