Огромный интерес для нанонауки и поразительные перспективы для нанотехнологий представляют проектирование структур на уровне элементов, создание и эксплуатация приборов и машин на молекулярном уровне.

Наиболее привлекательными кандидатами для этих целей представляются сблокированные молекулярные компоненты. В последнее время развитие структурного и функционального проектирования таких систем привело к созданию и использованию сложных молекулярных приборов и машин, которые способны в целом ряде случаев выполнять особые задачи.
Развитие человеческой цивилизации всегда было связано с конструированием новых приборов и машин. В зависимости от области применения приборы и машины могут быть очень большими или очень маленькими. Основной тенденцией в наше время является стремление к уменьшению веса и размера используемых компонентов насколько это возможно, в особенности, в области информационных технологий.
Миниатюризация компонентов для создания приборов и машин осуществляется в наши дни на основе подхода нисходящего проектирования. Этот подход, который применяют физики и инженеры, заключается в манипулировании все более мелкими компонентами материи с помощью фотолитографии и ей подобных технологий. Хотя полупроводниковые машины с габаритными размерами 65 нм уже доступны на рынке, а также сообщается о создании приборов с размерами в пределах 45 нм, становится ясно, что метод нисходящего проектирования имеет очень существенные недостатки, включая резкое увеличение затрат при приближении к наноразмерному измерению. «Там внизу все еще много места» - утверждал Ричард П. Фейнман в своем знаменитом обращении к Американскому физическому обществу от 29 декабря 1959г, эта мысль до сих пор остается актуальной. Науке и технологии надо искать новые пути для того, чтобы продвигаться дальше в деле миниатюризации в наноразмерном диапазоне.
Многообещающей стратегией использования науки и технологии в наноразмерном масштабе является подход восходящего проектирования, который предполагает работу по созданию наностурктур из объектов с нано - или субнаноразмерами (а именно, из атомов или молекул).

Снизу вверх атом за атомом

Сама идея о том, что атом можно использовать для конструирования наноразмерных машин, была впервые озвучена Фейнманом в работе «Принципы физики не отвергают возможности маневрирования объектами на атомном уровне» (R.P. Feynman, «The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom», 1960) и изображена в воображаемом виде в середине восьмидесятых К. Эриком Дрекслером (K.E. Drexler «Engines of Creation – The Coming Era of Nanotechnology», 1986). Он заявлял, что станет возможным создать «наноробот» общего назначения с прозвищем «сборщик». Такая машина, в принципе, могла бы поатомно построить практически что угодно, включая и копии самой себя.
Удивительные, но, надо признать, абстрактные идеи Дрекслера  рассматриваются большинством научного сообщества с большой долей скептицизма. В особенности, понятие универсального сборщика, т. е. наноробота, который может осуществлять манипуляции и строить объекты атом за атомом, считают нереалистичным, по крайней мере по трем хорошо обоснованным причинам (1) пальцы руки гипотетического манипулятора сами должны быть созданы из атомов, а это означает, что они будут слишком толстыми, чтобы осуществлять управление химическими процессами в наноразмерной области; (2) такие пальцы также будут слишком липкими – атомы рук манипулятора будут прилипать к атомам, которые будут ими перемещаться, так, что будет невозможно поместить их в нужное положение; (3) постоянное встряхивание, которому подвергается каждая наноразмерная структура из-за столкновений с окружающими молекулами, создаст помехи точности наноинжиниринга. В этой связи, сама идея применения принципа восходящего проектирования от атома к атому в нанотехнологии, которая кажется физикам такой привлекательной, не убеждает химиков, которые хорошо осведомлены о высокой реактивности многих видов атомов, мельчайших аспектах химических связей и свойствах молекул. Следует, тем не менее, осознавать, что фантастическим идеям Дрекслера, можно, по крайней мере, поставить в заслугу то, что они привлекли внимание общественности и повлияли на многих ученых, которые посвятили свои исследовательские проекты фантастическому миру нанотехнологий.

Снизу вверх, молекула за молекулой

В конце семидесятых годов, в рамках супрамолекулярной химии, начали поводить исследования молекулярных электронных машин, и в недрах некоторых лабораторий родилась идея о том, что молекулы могут быть значительно более удобными строительными элементами, чем атомы, при создании наноразмерных машин и приборов. Эта идея основывается на следующих положениях: (1) молекулы являются стабильными образованиями, в то время как с атомами справиться нелегко; (2) в природе используются молекулы, а не атомы для строительства большого числа разнообразных наноприборов и наномашин, которые поддерживают жизнь; (3) большинство лабораторных химических процессов имеют дело с молекулами, а не атомами; (4) молекулы являются объектами, уже обладающими четкими формами и имеющими свойства, необходимые для работы таких машин (например, свойства, которыми можно манипулировать фотохимическими и электромеханическими методами); и (5) молекулы могут собираться самостоятельно или же их можно соединять для образования более крупных структур.
В последующие годы супрамолекулярная химия очень быстро развивалась, и вскоре стало ясно, что супрамолекулярный подход с продвижением снизу вверх открывает практически безграничные возможности для проектирования и создания искусственных молекулярных приборов и машин, рис. 1. Кроме того, становилось все очевиднее, что такой подход может внести неоценимый вклад в наше понимание молекулярных аспектов исключительно сложных приборов и машин, которые отвечают за биологические процессы. Собственно говоря, эти системы представляют собой наглядную демонстрацию осуществимости и эффективности нанотехнологии.

Рис. 1. Два примера сложных искусственных многокомпонентных молекул.

(a) Координационная структура, полученная за счет самосборки четырех мостиковых лигандов на триазиновой основе и шести Pd(диаминовых) комплексов.
(b) Молекулярные тройные кольца, синтезированные за счет использования координационной, супрамолекулярной и динамической ковалентной химии.

Приборы и машины

В макроскопическом мире, приборы и машины являются совокупностями компонентов, предназначенных для осуществления определенной функции. Каждый компонент такой совокупности выполняет определенное простое действие, в то время как вся совокупность выполняет более сложную и полезную функцию, свойственную именно данным прибору или машине. Например, функция, выполняемая феном для волос, представляет собой результат операций, которые выполняют выключатель, нагреватель, и пропеллер, должным образом соединенные проводами и собранные в соответствующую структуру. Макроскопические концепции организации приборов и машин могут быть распространены и на молекулярный уровень. Молекулярный прибор может быть определен как соединение дискретного количества молекулярных компонентов, предназначенных для выполнения специальных функций. Каждый молекулярный компонент выполняет одно действие, в то время как вся супрамолекулярная конструкция выполняет более сложную функцию, которая реализуется в результате взаимодействия различных компонентов. Молекулярная машина это особый вид молекулярного прибора, в котором компоненты могут менять свое положении относительно друг друга в результате воздействия какого-либо внешнего фактора. Приборы и машины молекулярного уровня функционируют за счет электронной и/или ядерной перекомпоновки, и, подобно макроскопическим приборам и машинам, нуждаются в энергии для функционирования и в сигналах для связи с оператором. Распространение понятия прибора и машины на молекулярный уровень представляет интерес не только для базовых исследований, но также и для роста нанонауки и развития нанотехнологий.
Следует отметить, что наноразмерные приборы и машины не могут рассматриваться просто как «уменьшенные» копии макроскопических аналогов, поскольку наномасштабная физика отличается от обычной. Некоторые наномасштабные явления управляются законами квантовой механики и, что важнее всего, некоторые внутренне присущие свойства единиц молекулярного уровня сильно отличаются от свойств макроскопических объектов, даже полностью состоящих из такиз молекул. Например: (1) молекулы находятся в состоянии постоянного случайного движения и подвергаются постоянным столкновениям (броуновское движение); (2) в наномире объекты тесно прилегают друг другу из-за электромагнитных воздействий; и (3) размеры молекул намного меньше, чем длины световых волн, используемых для снабжения энергией или получения информации.
«Физический» метод нисходящего проектирования позволил создавать большое количество находящихся в твердом состоянии микроэлектронных приборов и микро-электромеханических систем. В настоящее время ожидается, что «химический» метод восходящего проектирования продвинет науку и технологию не только от микромасштабности к наномасштабности, но также и от электроники к фотонике и химионике, поскольку введение света и химических веществ является удобными способами снабжения молекулярных приборов энергией и обмена информацией на молекулярном уровне. Более того, под воздействием природных наноразмерных приборов метод восходящего проектирования сможет переместить сферу интересов ученых с твердого состояния на растворы и мягкие вещества.

Снабжение энергией, обмен сигналами, и прочие аспекты

Молекулярные приборы и машины представляют собой химические системы и поэтому функционируют с помощью химических реакций, которые, вообще говоря, подразумевают как электронные, так и ядерные перестановки. В ряде случаев выполняемая функция существенно основывается на переносе электронов или энергии электронов без существенной ядерной перегруппировки. В других случаях функционирование основывается на осуществлении более или менее существенных ядерных перемещений, происходящих под воздействием перегруппировки электронов. Как и в макроскопическом мире, приборы и машины молекулярного уровня нуждаются в энергии для функционирования и сигналах для осуществления связи с оператором. Энергия, необходимая для функционирования молекулярного прибора или машины, может поставляться в виде (1) хмического реактива, (2) поглощенного фотона, или (3) добавления или удаления электрона. Принимая во внимание ограниченность химических видов топлива и всевозрастающие проблемы с окружающей средой, идеальным первичным энергетическим источником можно считать свет и наилучшими являются процессы, при реализации которых не образуется отходов. В самом деле, даже в интеллектуальном обществе потребление не возобновляемых энергетических ресурсов и накопление отходов будет продолжаться и создавать очень существенные проблемы.
Для того чтобы осуществлять управление и контроль работы молекулярных приборов или машин, необходим подходящий сигнал. Поскольку хотя бы один молекулярный компонент системы изменяет свое состояние при выполнении требуемой функции, можно использовать любой сигнал, связанный с таким изменением. В этом отношении полезными могут оказаться самые различные химические или физические методы. Чаще всего управление состоянием системы осуществляется с помощью спектроскопического метода (ядерный магнитный резонанс - ЯМР, поглощение ультрафиолетовой и видимой области спектра, люминесценция и т. д.). Для некоторых систем, например, систем, основанных на донорно-акцепторном взаимодействии, можно с успехом использовать электрохимические методы.
Поскольку прибор и машина должны работать с повторяющимися циклами, важным требованием является перезагрузка. Это означает, что используемая при выполнении данной операции химическая реакция должна быть обратимой. Хотя ни одна из химических реакций не является полностью обратимой, это требование довольно хорошо выполняется с помощью процессов передачи энергии, переноса электронов (окисление-восстановление), и переноса протонов (кислотно-основной процесс), а также некоторых видов фотоизомеризации и координационных реакций металл-лиганд.
Шкала продолжительности работы молекулярного прибора и машины может находиться в дааппозоне от пикосекунды до нескольких дней в зависимости от природы осуществляемых процессов. Процессы переноса энергии, электронов и протонов, а также реакции изомеризации могут протекать очень быстро, но крупные и сложные перемещения составных частей могут происходить значительно медленнее. Информация о константах скорости реакций может быть получена с помощью обычных кинетических методов при реализации медленных процессов, с помощью электрохимии и хроматографии с прерыванием потока при относительно быстрых процессах, и с помощью спектроскопии вспышки (с разными временными шкалами) для очень быстрых процессов.
Молекулярные приборы и машины могут выполнять очень разнообразные функции. Они могут участвовать в передаче сигналов (в виде энергии, электронов, протонов и т. д.), обработке информации (например, с помощью логической схемы молекулярного уровня), преобразовании энергии (например, преобразовании света в электрохимический потенциал или химическое топливо), и в целом ряде процессов механического типа (например, перемещении вещества через мембрану).
Сообщается о попытках разработки набора компонентов молекулярного уровня для обработки информации, эти химические соединения способные играть роль проводов, выключателей, элементов памяти, сенсоров, антенн, вилок-розеток, систем удлинительных кабелей, и логических схем для наноразмерных машин. В частности, исследование молекулярных соединений, способных выполнять бинарные логические операции, может привести к практическому применению, к такому как маркировка и разметка очень маленьких объектов и, в конечном итоге, к проектированию и созданию молекулярного компьютера. Следует отметить, что все фундаментальные логические операции осуществлялись молекулярными системами, что позволило не так давно провести лабораторную демонстрацию бинарной арифметики с помощью молекулярных приборов: полного сумматора и полного вычитателя. Эти системы, в которых в качестве входных/выходных сигналов используются свет, молекулы и ионы, действуют в растворе, эти идеи позаимствованы из процессов обработки информации в живых организмах.
Независимо от возможности скорейшей реализации применения таких машин, разработка набора приборов молекулярного уровня представляется достойным вложением инвестиций. Имеется много обзоров по данному вопросу, и уже опубликована подробная монография. В настоящем обзоре мы проиллюстрируем некоторые последние достижения в этой области с использованием последних примеров создания молекулярных машин, заимствованных из совместной работы с коллективом Дж. Фрейзера Стоддарта, Университет шт. Калифорния, Лос Анжелес.

Механически соединенные молекулы как наноразмерные машины

В принципе, молекулярные машины можно проектировать на основе нескольких видов молекулярных и супрамолекулярных систем, включая ДНК. Тем не менее, по указанным ниже причинам, большинство сконструированных на сегодняшний день искусственных систем основано на взаимосвязанных молекулярных соединениях, таких как ротаксаны, катенаны и родственные им соединения. Эти компаунды получили свое название от латинских слов rota и axis, что означает «колесо» и «ось», а также catena, что означает «цепь». Ротаксаны состоят из гантелеобразной молекулы, с большими группами («ограничителями») на концах, которые предотвращают соскальзывание макроциклического соединения («кольца»), рис. 2a и 2b. Катенаны создаются по крайней мере из двух сцепленных вместе макроциклов, рис. 2c. Источником существенных отличий в свойствах этих систем являются нековалентные взаимодействия между компонентами, которые содержат комплиментарные центры узнавания. К числу таких взаимодействий, которые также отвечают за эффективные управляемые матрицей синтезы ротаксанов и катенанов, относятся: способность к переносу заряда, образование водородной связи, гидрофобно-гидрофильные взаимодействия, π-π стэкинг, силы электростатического взаимодействия и в дополнение к пределу сильного взаимодействия образование связи металл-лиганд.

Рис. 2. Схематическое изображение межкомпонентного движения, которое можно получить с помощью простых архитектур взаимосвязанных молекул: круговое челночное движение в ротаксанах (a), кольцевое движение в ротаксанах (b) и катенанах (c).

Ротаксаны и катенаны являются очень привлекательными системами для построения молекулярных машин, поскольку: (1) механическая связь предоставляет большие возможности для создания взаимных расположений молекулярных компонентов, придавая, в то же время, стабильность системе; (2) взаимосвязанная архитектура ограничивает амплитуду межкомпонентного движения в трех направлениях; (3) стабильность специального расположения (соконформация) определяется прочностью межкомпонентных взаимодействий; и (4) такие взаимодействия могут регулироваться внешним стимулированием. Движение с большой амплитудой, которое можно получить при использовании ротаксанов и катенанов, схематически изображено на рисунке 2. В частности, два представляющих интерес вида движения можно рассмотреть на ротаксанах, а именно (1) перемещение, т. е. челночное перемещение, кольца вдоль оси, и (2) вращение кольца вокруг оси. По этой причине ротаксаны являются хорошими прототипами для построения как линейных, так и вращающихся молекулярных двигателей. Системы первого типа, называемые молекулярными челноками, рис 2а, представляют собой наиболее распространенное применение концепции молекулярных машин с ротаксанами.

Химически управляемые молекулярные челноки и нанолифты

Вслед за первым примером, о котором сообщалось еще в 1994г., было описано много управляемых молекулярных челноков на основе химического, электрохимического и фотохимического стимулирования. Управляемой химически системой с хорошими рабочими параметрами с точки зрения переключения и стабильности является соединение 1-H³⁺, рис 3. Оно состоит из гантелеобразного компонента, содержащего аммоний и акцепторы электронов, в качестве которого использовано основание - 4,4′-бипиридин, они могут образовывать водородные связи и взаимодействия с переносом заряда, соответственно, с кольцевым компонентом дибензо-24-краун-8 (DB24C8) – краун эфиром, обладающим свойствами донора электронов. В качестве ограничителя на конце этой сборной молекулы встроен антрацен, поскольку его свойства адсорбционные, люминесцентные и окислительно-востановительные свойства полезны для контроля состояния системы. В связи с тем, что N⁺-H…O взаимодействия водородных связей между макроциклическим кольцом и аммониевым центром намного прочнее взаимодействий с переносом заряда между кольцом и соединением бипиридина, ротаксан существует в виде одиного из двух возможных изомеров (рис. 3a, положение 0). Депротонирование аммониевого центра 1-H³⁺ (рис. 3b) ослабляет взаимодействия водородных связей и вызывает перемещение кольца DB24C8 за счет броуновским движениям к звену бипиридина (рис. 3c, положение 1). И наоборот, протонитрование 1²⁺ кислотой (рис. 3d) направляет кольцо обратно к аммониевому центру. Такой процесс переключения исследовался в растворе методом ЯМР и с помощью электрохимических и фотофизических измерений. Не так давно также была исследована кинетика кольцевого челночного перемещения в растворе и свойства Ленгмюр-Блоджеттовских пленок, содержащих 1-H^3+. Полная химическая обратимость этих реакций между кислотами и основаниями обеспечивает обратимость механического движения, несмотря на формирование отходов. Следует отметить, что ротаксан является бистабильной системой и, в принципе, его можно использовать для хранения бинарной информации.

Рис. 3. Схематическое изображение функционирования ротаксана 1-H³⁺ в качестве обратимого молекулярного челнока, управляемого химическим кислотно-основным стимулированием в растворе CH₃CN.

Путем включения архитектурных особенностей кислотно-основного переключаемого ротаксана 1-H³⁺ (рис. 3) в архитектуру трижды связанного двухкомпонентного супрамолекулярного узла был спроектирован и создан двухкомпонентный молекулярный прибор, 2-H₃⁹⁺ (рис. 4а), который действует как наномасштабный лифт. Данная наномашина, которая имеет размеры примерно 2,5 нм в высоту и диаметр 3,5 нм, состоит из компонента с тремя опорами, содержащими по две различные зоны: одну  в виде аммониевого центра и одну в виде соединения 4,4′-бипиридина. Опоры соединены с тремя вершинами основным механизмом, который играет роль платформы, которую можно останавливать на двух различных уровнях. Три опоры треноги снабжены стопорами на концах, чтобы не допустить потери платформы. Изначально платформа находится исключительно в «верхнем» положении, т. е. с тремя кольцами вокруг аммониевых центров (рис. 4b, положение 0). Это происходит из-за образования достаточно сильных водородных связей N⁺-H…O и слабых стабилизирующих π-π взаимодействий между ароматическими ядрами платформы и ароматическими компонентами вершины треноги. После добавления сильного, ненуклеофильного фосфазенового основания к ацетонитрильному раствору 2-H₃^9+, происходит отрыв протона от аммониевого центра и, в результате, платформа сдвигается на более «низкий» уровень, т. е. на уровень где три DB24C8 кольца окружают звенья бипиридина (рис. 4с, положение 1). Эта структура стаблизируется, в основном, за счет взаимодействий с переносом заряда между богатыми электронами ароматическими соединениями платформы и испытывающими нехватку электронов соединениями бипиридина треноги. Последующее добавление кислоты к 2⁶⁺ восстанавливает аммониевые центры, и платформа двигается в обратном направлении на верхний уровень. Такое лифтовое движение вверх вниз, которое соответствует количественному переключению и может повторяться многократно, можно контролировать с помощью ЯМР спектроскопии, методов электрохимии, абсорбционной спектроскопии и флуоресцентной спектроскопии.

Следует отметить, что механическое движение с кислотно-основным управлением в 2-H₃⁹⁺ связано с представляющими интерес структурными модификациями, такими как открытие и закрытие большой полости, и управление положением и свойствами бипиридиновых ножек. В принципе, такое поведение можно использовать для управления приемом и выпуском гостевой молекулы – функции, представляющей интерес для разработки систем доставки лекарственных веществ.

Молекулярный челнок на солнечной энергии
Искусственные наномашины на химической энергии, описанные в предыдущем разделе, не являются автономными, поскольку, после того как химический ввод инициирует механическое движение, необходим другой, противоположный химический ввод для перезарядки, а это значит, что будут вырабатываться отходы. Тем не менее, добавление реагента (топлива) не является единственным способом, которым можно доставить топливо в химическую систему. В самом деле, сама природа показывает нам, что в зеленых растениях энергия, необходимая для поддержания жизни, в конечном счете, поставляется солнцем. Введение энергии в виде фотонов может и в самом деле вызвать механическое движение за счет обратимых химических реакций без образования отходов. Как уже было упомянуто выше, использование возобновляемых энергетических источников для снабжения наномашин энергией вполне целесообразно.
Проектирование и создание молекулярных челноков, снабжаемых только световой энергией, является, таким образом, интересным и перспективным делом. На основании опыта, полученного в предыдущих исследованиях систем псевдоротаксановых моделей, был специально разработан ротаксан 3⁶⁺ для достижения челночного движения кольца в растворе за счет воздействия света, рис. 5. Этот компаунд сделан из электронного донора, кольца (R), и гантелеобразного компонента, содержащего несколько соединений: рутениево(II) полипиридиновый комплекс (P²⁺), который играет двойную роль энергетической установки и ингибитора p-терфенилового типа (S), 4,4′-бипиридиновое соединение (A₁²⁺) и 3,3′-диметил-4,4′-бипиридиновое соединение (A₂²⁺) в качестве станций, принимающих электроны, и тетраарилметановую группу в качестве второго ингибитора (T). Стабильный переносной изомер ротоксана 3⁶⁺ является образованием, в котором компонент R окружает соединение A₁²⁺, так как эта станция является лучшим акцептором электронов во всей сложной молекуле.

Рис. 5. Химический состав (a) и схематическое изображение (b) ротаксана 3⁶⁺ показывают его модульную структуру.

Стратегия, разработанная для того, чтобы получить движение макроцикла R как в вычислительной машине на энергии света между двумя станциями A₁²⁺ и A₂²⁺, представленная на рисунке 6, основана на следующих четырех операциях:
a) дестабилизация стабильного изомера: световое возбуждение фотоактивного соединения P²⁺ (процесс 1), далее следует перенос электрона из возбужденного состояния на станцию A₁²⁺, которая окружена кольцом R (процесс 2), с последующей «снятием возбуждения» этой станции; такой процесс переноса электронов под воздействием света должен завершаться внутренним убыванием возбужденного состояния P²⁺ (процесс 3);
b) перемещение кольца: кольцо отдвигается (процесс 4) на 1.3 нм от уменьшенной станции A₁⁺ к A₂²⁺, этап, который должен завершится процессом обратного переноса электрона с A₁⁺ (все еще окруженного R) к окисленному соединению P³⁺ (процесс 5);
c) электронная перезарядка: процесс обратного переноса электронов с «освобожденной» уменьшенной станции A₁⁺ на окисленное соединение P³⁺ (процесс 6) восстанавливает энергию акцептора электронов для станции A^₁2+ ;
d) ядерная перезарядка: как следствие электронной перезарядки, происходит обратное движение кольца с A₂²⁺ на A₁²⁺ (процесс 7).

Рис. 6. Схема работы ротаксана 3⁶⁺, функционирующего в качестве независимого «четырехтактного» молекулярного челнока, работающего на энергии света.

Спектроскопические исследования в установившемся режиме и с временным разрешением в сочетании с электрохимическими измерениями в растворе ацетонитрила, показали, что поглощение видимого фотона 3⁶⁺ может вызвать движение кольца вперед и назад, т. е. реализацию полного механического цикла в соответствии с представленным на рисунке 6 механизмом. По проведенным оценкам, доля энергии возбужденного состояния, используемая для движения кольца, составляет примерно 10%, и система может вырабатывать механическую энергию порядка 3•10⁻¹⁷ Вт на молекулу. Несколько огорчительные значения квантовой эффективности для челночного перемещения кольца (2% при 30°C) компенсируется тем фактом, что исследуемая система вобрала в себя следующие черты: (1) она работает от энергии видимого света (другими словами, солнечного света); (2) она демонстрирует независимое поведение, подобно белкам; (3) она не создает отходов; (4) ее функционирование может зависеть только от внутримолекулярных процессов, в принципе позволяя работать только на молекулярном уровне; (5) ее можно заставить работать при частоте прмерно равной 1 кГц; (6) она работает в умеренных условиях окружающей среды (т. е. в жидком растворе при температуре окружающей среды); и (7) она стабильна на протяжении, по крайней мере, 10 циклов. Хотя система в ее нынешнем состоянии и не смогла выйти на полезную работу при полном цикле эксплуатации, она показала, что структурная и функциональная интеграция различных молекулярных соединений в многокомпонентную структуру представляет собой эффективную стратегию для создания наноразмерных машин. Благодаря своей модульной конструкции, ротаксан 3⁶⁺ восприимчив к изменениям структуры для того, чтобы попытаться улучшить его рабочие параметры при использовании в качестве молекулярного челнока, работающего на световой энергии.

Выводы и прогнозы

Создание простых прототипов молекулярных приборов и машин было осуществлено за счет использования работающих за счет постепенных приращений стратегий проектирования, инструментария современной синтетической химии, и парадигм супрамолекулярной химии в сочетании с некоторым вдохновением, почерпнутым из природных систем и технологий. Описанные здесь системы работают в растворах, индивидуально и безсвязно. Для ряда применений, необходимо обеспечить их связь с макроскопическим миром путем какого-либо их упорядочения, например, путем прикрепления к поверхностям так, чтобы они могли вести себя либо синхронно, либо последовательно. Недавно было доказано, что коллективное использование искусственных наномашин в тщательно сконструированных расположенных на поверхности монослоях может дать механическую работу большего масштаба.
Распространение понятия прибора или машины на наноразмерные объекты уже само по себе захватывающая проблема для базовых исследований. Рассмотрение молекулярных и супрамолекулярных частиц в качестве машин молекулярного мира очень полезное упражнение, которое вводит новые понятия в химию как научную дисциплину.
Быстрый рост этой области исследования внушает некоторый оптимизм, что практическое использование молекулярных приборов и машин произойдет в не столь отдаленном будущем. В этом плане, есть надежда, что нанонаука и нанотехнология внесут свой вклад в дело решения четырех основных проблем, которые стоят перед большей частью населения Земли: продукты питания, здоровье, энергия и окружающая среда. Развивая нанонауку и нанотехнологию, мы, тем не менее, не должны забывать принцип «великой асимметрии»: «Вся суть человеческой трагедии и истинный источник того, что научный потенциал используется не должным образом, а для разрушения, заключается в великой асимметрии нашей вселенной природных законов. Мы можем достигать высот только кропотливым продвижением вперед, а разрушение происходит за малую долю того времени, которое было потраченного на строительство, и оно может иметь поистине катастрофические последствия. За один день пожар в Александрийской библиотеке уничтожил тысячилетние накопления знаний... Люди должны проявлять любопытство, спрашивать и искать – а наука должна сбрасывать ограничения наложенные традициями – чтобы стать самым мощным двигателем перемен к лучшему» – С. Дж. Гоулд.