Механика единичной молекулы

Атомно-силовая микроскопия измеряет силу притяжения между иглой микроскопа и поверхностью как функцию расстояния между ними (в отличие от туннельной сканирующей микроскопии, в которой измеряется ток между иглой и поверхностью). В классическом варианте атомно-силовая микроскопия является бесконтактной: игла скользит вдоль поверхности, не касаясь её. Силовая микроскопия также способна визуализировать одноатомные вакансии (реально - видеть от них пятна) на поверхности полупроводников и диэлектриков и адсорбированные молекулы (например, С₆₀, аденин, перилен, ДНК), делать приближённые заключения о размерах и форме молекул, их густоте и расположении на поверхности. Надо признать, что из-за низкого пространственного разрешения это больше информация о поверхности, чем о молекулах, сидящих на ней.

Ситуация принципиально меняется, если атомно-силовую микроскопию сделать контактной: закрепить один конец молекулы на игле, а другой - на поверхности. Тогда, отодвигая иглу от поверхности и растягивая молекулу, можно измерять силу как функцию растяжения молекулы, т.е. исследовать механику единичной молекулы.

Эта идея была блестяще реализована экспериментально; главная интрига состояла в том, чтобы закрепить концы молекулы (обычно макромолекулы) ковалентными или координационными связями - в этом заключены и наука, и искусство.

Функция F(x), как правило, не является линейной, гуковской: на ней есть небольшие локальные пики - подъёмы и спады. Это свидетельство того, что при удлинении макромолекулы происходит её конформационное "раскручивание" - свёрнутые конформации под действием растяжения заменяются вытянутыми. Наконец, при некотором критическом удлинении полностью вытянутая молекула рвётся и сила разрыва есть прочность химической связи.

Эта техника уже использована для измерения силы, которая удерживает антиген и антитело в едином комплексе; с её помощью измерялись силовые характеристики конформационных переходов в макромолекуле полисахарида. Наконец, измерена сила разрыва ковалентных связей: для Si- C она составила 2,0 наноньютона; прочность связи Au - S равна 1,4 наноньютона.

Особо следует отметить элегантные исследования наномеханики единичных макромолекул - и синтетических, и биологических. Например зависимость F(x) была детально исследована для водо-растворимых макромолекул полиакриламида и поли(N-изопропил)акриламида; преобразованная зависимость х(F) есть функция, характеризующая наномеханику макромолекулы, т.е. зависимость её длины от силы растяжения (упругость).

Для гибкоцепных макромолекул зависимость х(F) была выведена ещё в 1942 г. Куном из модели свободно сочленённой цепи; она описывается функцией Ланжевена.

Можно измерить также прочность нескольких сложенных вместе молекул; так была измерена прочность пучка из сотни углеродных нанотруб. Оказалось, что каждая нанотруба в 10 раз прочнее стальной проволоки того же диаметра. Результат впечатляющий, но он всё же ниже теоретической прочности и свидетельствует о механической дефектности либо самого пучка, либо мест его закрепления.

Атомно-силовая микроскопия единичных молекул - техника трудоёмкая и деликатная, но результаты её настолько привлекательны, что будущее её представляется блестящим.