самосборка

На гладкой кремниевой пластине золотые нанокубики ведут себя как толпа на катке: сначала отдельные фигуры случайно скользят по льду, но за минуту собираются в ровный ковёр, покрывающий две трети площадки. Между кубиками остаётся зазор в два нанометра — примерно как ладонь между соседями в очереди. Этот ковёр не толще одного кубика, и такую сборку называют монослоем.

Осьминог, раскинув щупальца, ждёт. Никто не управляет его руками из единого центра, но стоит добыче коснуться одной из них, как все восемь оборачиваются вокруг неё. Похожий трюк физики воспроизвели в лаборатории с телом, у которого нет ни нейронов, ни мышц: звёздный полимер с самодвижущимися руками. Полимер собрали из маленьких цилиндрических виброботов на вибрирующей пластине.

В водном растворе плавают микроскопические шарики — коллоидные частицы. Каждый шарик покрыт длинными полимерными нитями, образующими подобие щётки, и несёт электрический заряд. При определённых температуре и составе раствора такие частицы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные структуры — коллоидные кристаллы.

На концерте в плотной толпе каждый шаг даётся с трудом — чем теснее, тем меньше хочется двигаться. Так обычно ведёт себя и активная материя: рои бактерий или стаи роботов замирают в тесноте. Но одна группа исследователей обнаружила обратный эффект.

Капля воды на стекле дрожит и переливается — кажется, она живёт своей жизнью. Похожее поведение теперь можно увидеть в мире коллоидов — микроскопических частиц, взвешенных в жидкости. Исследователи смоделировали на компьютере частицы, которые выделяют химические сигналы. Эти сигналы, подобно запахам в воздухе, распространяются вокруг и заставляют соседей либо сближаться, либо отдаляться.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

В мире, где числа Рейнольдса ничтожны, вода превращается в тягучий сироп, и привычные нам способы плавания перестают работать. Здесь господствует коварная теорема гребешка: симметричные движения не дают продвижения. Микроорганизмы нашли выход: они отращивают полимерные хвосты. Но что, если покрыть такими растущими нитями всю поверхность частицы — своего рода молекулярный «ковёр-самолёт»?

Долгое время мы воспринимали белки лишь в их конечной, статичной конформации — словно фотографии танцоров, застывших в эстетичной позе. Благодаря алгоритмам, подобным AlphaFold, мы научились предсказывать эту позу, исходя из линейной последовательности углеродных аминокислотных звеньев.

Толпа на городской площади ведёт себя по-разному в зависимости от того, держатся ли люди за руки. Если каждый лишь слегка касается соседа локтем, люди легко растекаются во все стороны — толпа расширяется ровным ковром. Но стоит им сцепиться пальцами, движение замедляется, и толпа разбивается на сгустки: где-то образуются плотные кучки, а между ними — пустые коридоры.

Если рассыпать семена как попало, всходы переплетутся в хаос. Но если разложить их ровными рядами, поле заколосится стройно. Похожий принцип работает и с бактериями. Колонии из вытянутых клеток обычно бурлят беспорядочными потоками, но учёные нашли способ задать им порядок с самого начала.

Стая птиц или косяк рыб иногда закручивается в воронку, хотя ни одна особь не командует «крутись». Такое коллективное вращение помогает группе держаться вместе и лучше перемешиваться. Обычно его объясняют тем, что сами особи асимметричны, как винт, или толкают друг друга с поворотом. Но в новой работе найден другой путь.

В лаборатории, где изучают кристаллы, лаборант смотрит на экран с россыпью светлых пятен и медленно поворачивает образец, добиваясь, чтобы пятна сложились в симметричный узор. Эта работа похожа на настройку старого радиоприёмника: крутишь ручку, пока шум не сменится чистым сигналом. Теперь эту ручку может крутить машина.

Внутри клетки есть крошечные жидкие капли — как масляные шарики в воде. Они собираются из белков и РНК и нужны для самых разных дел: от хранения молекул до ускорения реакций. Но если капли начнут сливаться друг с другом, получится одна большая лужа, и это сломает клетке всю организацию.

Горсть песка на столе — просто куча. Но если песчинки правильно потрясти, куча начинает вести себя как память: запоминает, какое движение за каким следует. В новом опыте частицы двигали циклически, и после тренировки они воспроизводили нужный узор даже без полной команды. Секрет в контактах между частицами.

Капля воды с крошечными частицами высыхает на столе. Вода уходит, а частицы остаются и выстраиваются в узор — как песок после отлива. Но если частицы мягкие, узор получается совсем другим. Исследователи изучили этот процесс под микроскопом, меняя только одно свойство частиц: их упругость.

Повар пробует суп после каждой щепотки соли и тут же решает, что добавить дальше. Примерно так работает новая установка для выращивания тонких кристаллических плёнок. Только вместо вкуса — картинка с электронного микроскопа, а вместо повара — компьютерная программа. Обычно, чтобы получить плёнку нужного состава, приходится перебирать десятки сочетаний температуры, давления и состава паров.

Капля чернил в стакане воды расползается сама собой. Но если бы чернила состояли из крошечных моторчиков, они бы не просто расплывались — они бы ползли, толкались и собирались в стайки. Такие частицы, которые двигаются сами, называют активными. Из них можно собирать молекулы, как из бусин — браслет. И вот что удивительно: порядок бусин в браслете меняет всё поведение.

Горсть нанокристаллов сульфида свинца, покрытых заряженными молекулами, сама выстраивается в идеальную кристаллическую решётку. Каждый нанокристалл — как кирпичик размером в несколько нанометров, а заряженные молекулы на его поверхности работают связующим раствором.

В стакане воды растворяют несколько солей и формальдегид. Через некоторое время жидкость сама расслаивается: в ней появляются капли с оболочкой, похожие на крошечные пузырьки. Внутри каждой капли идут химические превращения, а сама капля растёт, вбирая вещество из окружающего раствора. Эти капли — не просто пузырьки. Внутри них образуются новые, меньшие капли, которые тоже способны расти.

Временные кристаллы — экзотическая фаза материи, которая демонстрирует периодическое движение не в пространстве, а во времени, даже находясь в основном, невозбуждённом состоянии. Эту идею, напоминающую вечные часы, не требующие завода, впервые предложил Фрэнк Вильчек.

Горсть магнитных шариков, если их встряхнуть, слипается в комки. Но добавьте к магнитам пружинки, которые расталкивают шарики на расстоянии, — и комки распадутся на ровные островки. Примерно так ведут себя частицы, о которых идёт речь в новой работе: они притягиваются вблизи, но отталкиваются издалека. Авторы просчитали на компьютере миллионы вариантов такого «клея с пружинами».

Обычный способ заморозить живую клетку похож на попытку надеть на неё скафандр: сначала нужно ввести внутрь защитное вещество, но пока оно проникает через оболочку, клетка может лопнуть от перепада солей или отравиться химией.

Насыпьте горсть сухого песка — он растечётся ровным конусом. А теперь возьмите пачку макарон-звёздочек: куча будет стоять почти вертикально. Почему? Всё дело в форме частиц. Физики построили цилиндрические кучи из частиц разной геометрии — от гладких шариков до «полиподов» с несколькими отростками, как у морской звезды.

Бактерия в капле воды не просто плавает — она ощупывает пространство вокруг себя, решает, куда свернуть, и находит выход из запутанного лабиринта. Искусственные микроскопические пловцы до сих пор так не умели: их приходилось вести за руку, подавая сигналы извне. Теперь группа исследователей показала, что крошечные капли-агенты могут обходиться без поводыря.