[0000] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки США № 63/223,605, поданной 20 июля 2021; все содержание которой включено в настоящий документ путем отсылки.
Область применения
[1] Данная заявка направлена на наномеханические устройства, функционирование которых связано с бистабильностью наноразмерных олигомерных структур и/или их наноразмерных композиций.
Уровень техники
[2] Промышленная миниатюризация устройств и машин обычно осуществляется методом нисходящего проектирования. Желательно создавать все меньшие и меньшие компоненты и устройства, а производство переходит с микрометрового масштаба к нанометровому масштабу. При приближении к размеру около 10 нм при проектировании сверху вниз стоимость точных манипуляций с использованием макроскопических устройств обычно увеличивается и может стать непомерно дорогой. В качестве альтернативы могут оказаться полезными стратегии «снизу вверх», которые разрабатывают функциональные устройства в нанометровом масштабе из элементов субнанометрового (атомного) размера.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ
[3] В некоторых вариантах реализации молекулярные и/или олигомерные машины, содержащие олигомерные модули, выбираются и соединяются таким образом, чтобы проявлять конформационную бистабильность, при этом относительная ориентация между олигомерными модулями может меняться с первой ориентации на вторую ориентацию в ответ на один или несколько раздражителей.
[4] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенный с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи, по меньшей мере, с одним местом изгиба или шарнира в положении совместного соединения между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем, место изгиба или шарнира, допускающее относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем, по меньшей мере один электрогенерирующий элемент, подложка, сконфигурированная относительно по меньшей мере одного электрогенерирующего элемента и олигомерной цепи так, что относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем приводит к механическому взаимодействию между по меньшей мере вторым олигомерным модулем олигомерной цепи и по меньшей мере одним электрогенерирующим элементом, и при этом олигомерная цепь образуется так, что в ответ под воздействием стимула относительное сгибание происходит между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что вызывает механическое взаимодействие между вторым олигомерным модулем и электрогенерирующим элементом, и при этом механическое взаимодействие вызывает изменение электрического напряжения, связанное с по меньшей мере один электрогенерирующий элемент.
[5] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи, по меньшей мере, с одним местом изгиба или шарнира в положении совместного соединения между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем, место изгиба или шарнира, обеспечивающее относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем, по меньшей мере один поршневой элемент, подложка, сконфигурированная относительно по меньшей мере одного поршневого элемента и олигомерной цепи таким образом, что относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем приводит к механическому взаимодействию между по меньшей мере вторым олигомерным модулем олигомерной цепи и по меньшей мере одним поршневым элементом, и в которой олигомерная цепь сформирована таким образом, что в ответ на приложенное к ней заданное количество энергии, относительный изгиб возникает между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что возникает механическое взаимодействие между вторым олигомерным модулем и поршневым элементом, и при этом механическое взаимодействие создает механическую силу..
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[6] Фигура 1 иллюстрирует два конформационных состояния типичного варианта реализации олиго-NIPAm-20.
[7] Фигура 2 иллюстрирует зависимость радиуса вращения от температуры примерного варианта осуществления олиго-NIPAm-20.
[8] На фигуре 3 показано расстояние d между концами в зависимости от силы сжатия F, где Fc представляет собой критическое сжатие для примерного варианта осуществления олиго-NIPMAm-30.
[9] Фигура 4 иллюстрирует дугу Эйлера, связанную с некоторыми аспектами раскрытых здесь вариантов реализации.
[10] На фигуре 5 показана бифуркационная диаграмма модели катастрофы каспа, представленная расстояниями d между краями сжатой дуги Эйлера в зависимости от боковой силы F.
[11] На фигуре 6 показан примерный вариант реализации с смоделированной приложенной силой, где один край изогнутой олигомерной цепи зафиксирован, а тянущая сила F приложена к другому краю цепи.
[12] На фигуре 7 показано расстояние между концами в зависимости от времени для типового олигомера NIPMAm-30.
[13] На фигуре 8 изображены спонтанные колебания примерного варианта реализации олиго-NIPMAm-30 (верхняя панель) и статистические веса для переходов «открытого» (растянутого) и «закрытого» (согнутого) состояний, когда сила тяги F проходит через критическое значение.
[14] На фигуре 9 изображен стохастический резонанс примерного олигомера NIPMAm-30, контролируемый слабой осциллирующей силой.
[15] На фигуре 10 изображена бистабильная система, способная спонтанно колебаться между двумя конформациями.
[16] На фигуре 11 изображена временная зависимость расстояний между концами в примерном варианте реализации олиго-NIPMAm-30 в вибрационном режиме вблизи критической силы тяги.
[17] На фигуре 12 изображена статистика согнутых и растянутых состояний, нормализованная по максимальному значению для примерного варианта реализации олиго-NIPMAm-30 вблизи (слева) и вдали от (справа) критической силы тяги.
[18] На фигуре 13 изображена зависимость от времени количества водородных связей, окружающих шарнирное положение примерного варианта реализации NIPMAm-30, и расстояния между концами цепи для тянущих сил Fc = 400 пН (левая панель) и F = 500 пН (справа). панель).
[19] На фигуре 14А изображен примерный вариант наномашины, которая действует как двигатель поршневого типа, содержащий бистабильную олигомерную машину, соединенную с двумя нанотрубками, одна из которых обратимо перемещается внутри другой.
[20] На фигуре 14B изображена примерная система, содержащая олиго-PNIPMAm-30, имеющий один фиксированный конец и один демпфированный конец.
[21] На фигуре 14C показаны спонтанные колебания примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, имеющую один фиксированный конец и один демпфированный конец.
[22] На фигуре 14D изображена энергия, извлекаемая из примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, с помощью самопроизвольно вибрирующей демпфирующей группы.
[23] На фигуре 14E изображен стохастический резонанс примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, во внешнем гармоническом поле V = 0,2 В/нм, частота = 100 МГц.
[24] На фигуре 14F изображена энергия, извлеченная из примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, с помощью демпфирующей группы, колеблющейся в режиме стохастического резонанса.
[25] На фигуре 14G изображена энергия, нагнетаемая в типовую систему, содержащую олиго-PNIPMAm-30, внешним гармоническим полем.
[26] На фигуре 15 изображены развернутая (2000 г.) и сложенная (2002 г.) формы примерного варианта реализации NIPAm-20i.
[27] На фигуре 16 изображена зависимость радиуса вращения от времени моделирования для примерного варианта реализации NIPMAm-30s.
[28] На фигуре 17 изображены развернутая (2200) и сложенная (2201) формы примерного варианта реализации NIPMAm-30s.
[29] На фигуре 18 изображены развернутая (2300) и сложенная (2301) формы примерного варианта реализации NIPMAm-30i.
[30] На фигуре 19 показана зависимость радиуса вращения от времени моделирования для примерного варианта реализации NIPMAm 30i.
[31] На фигуре 20 показана зависимость радиуса инерции от времени моделирования для примерного варианта реализации двухблочного NIPAm-21i-19s.
[32] На фигуре 21 изображены развернутая ( 2600 ) и сложенная ( 2601 ) формы примерного варианта реализации двухблока NIPAm-21i-19a.
[33] На фигуре 22 показана зависимость радиуса вращения от времени моделирования для примерного варианта реализации двухблока NIPAm 21i-19a.
[34] На фигуре 23 изображены развернутая ( 2800 ) и сложенная ( 2801 ) формы примерного варианта реализации трехблока NIPAm-12i-4s-12i.
[35] На фигуре 24 показана зависимость радиуса вращения от времени моделирования для примерного варианта реализации трехблока 12i-6s-12i NIPam.
[36] На фигуре 25 показана зависимость радиуса вращения от времени моделирования для примерного варианта реализации трехблока олиго-NIPAm-12i-8s-12i.
[37] На фигуре 26 изображены развернутое ( 3100 ), сложенное ( 3101 ) и полусвернутое ( 3102 ) состояния примерного варианта реализации трехблока NIPAm-12i-8s-12i.
[38] На фигуре 27 изображены развернутая ( 3200 ) и сложенная ( 3201 ) формы примерного варианта реализации триблока олиго-NIPMAm-12i-7s-12i.
[39] На фигуре 28А изображен пример химерной композиции 10-7-10-NMIPAm-NIPMAm-NMIPAm в открытой конформации.
[40] На фигуре 28B показано расстояние между концами в зависимости от температуры примерного варианта осуществления.
[41] На фигуре 28C изображен пример химерной композиции 10-7-10-NMIPAm-NIPMAm-NMIPAm в закрытой конформации.
[42] На фигуре 28D изображены спонтанные колебания примерного варианта реализации при Т=320К.
[43] На фигуре 29 изображена дуга Эйлера, функционально связанная с электромеханическим преобразователем.
[44] На фигуре 30А изображена примерная бистабильная олигомерная машина (3031), термически соединенная с термической ванной (3021) и функционально соединенная с имитацией демпфера (3011).
[45] На фигуре 30B изображен стохастический резонанс примерной бистабильной олигомерной машины, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитированным демпфером.
[46] На фигуре 30C изображена энергия, извлекаемая из термической ванны примерной бистабильной олигомерной машиной, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитацией демпфера.
[47] На фигуре 30D изображена энергия, вводимая в термическую ванну во время извлечения энергии из термической ванны примерной бистабильной олигомерной машиной, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитированным демпфером.
[48] На фигуре 31 изображен пример ячейки для сбора тепла.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[49] Люди используют энергию ветра с момента изобретения паруса и ветряной турбины. Однако не всегда бывает ветрено. Тем не менее, даже при полном штиле всегда существуют энергетически богатые колебания в газе или жидкости, которые могут быть полезны при управлении наномашиной с двумя состояниями.
[50] Поскольку классическая термодинамика усредняет все флуктуации, она плохо согласуется с наномашинами, испытывающими случайные возмущения, вызванные внешними флуктуациями. При проектировании наномашин следует явно учитывать случайные возмущения. К счастью, стохастическая термодинамика за последние 20 лет добилась прорывного прогресса. Сегодня стохастическая термодинамика является той же основой для наномашин, что и классическая термодинамика для обычных двигателей. Кроме того, появились мощные методы полноатомного моделирования сложных молекулярных систем и впечатляющие инструменты для манипулирования одиночными молекулами. Фактически, современные нанонауки и нанотехнологии ведут к созданию наномашин.
[51] С точки зрения стохастической термодинамики, молекула нанометрового размера может обладать особой динамикой, позволяющей работать как машина. Молекула нанометрового размера имеет тысячи атомов и тысячи степеней свободы. Однако машинное действие подразумевает низкоразмерную динамику, которая, как предполагается, реализуется посредством коллективных движений атомов, связанных с несколькими самыми медленными степенями свободы. Таким образом, для выполнения действий, подобных машине, самые медленные степени свободы могут быть динамически отделены от всех более быстрых степеней свободы. Например, система с двумя состояниями может подразумевать резкое изменение состояния, когда какой-либо раздражитель пересекает пороговое значение. Такое действие связано с критическим поведением нелинейной динамической системы. Например, рассмотрим упругий стержень. Действительно, стержень остается прямым даже при легком продольном сжатии. Однако как только сжатие превышает критический уровень, выпрямленное состояние становится неустойчивым, и стержень выгибается вверх или вниз. Выше критического сжатия стержень ведет себя как машина с двумя состояниями. Он может совершать механическую работу, перепрыгивая из одного состояния в другое при приложении боковой силы. Однако на молекулярном уровне стержень может колебаться сам. Если случайные возмущения могут активировать переходы между двумя состояниями, стержень будет самопроизвольно подпрыгивать, совершая спонтанные колебания. Случайные прыжки можно преобразовать в регулярные путем слабого колебательного сжатия. Это явление можно назвать стохастическим резонансом.
[52] Спонтанные колебания и стохастический резонанс привлекательны для использования энергии термальных ванн в качестве «топлива» для наномашин. Для систем микронного или даже субмикронного размера тепловые флуктуации могут быть слишком слабыми, чтобы активировать спонтанные колебания: могут потребоваться гораздо более сильные возмущения. Колебания тепловой ванны могут возмущать системы размером всего в несколько нанометров. Поэтому, если молекула нанометрового размера бистабильна и барьер бистабильности сравним с энергией колебаний тепловой ванны, то спонтанные колебания будут проявляться естественным образом. Такое сбор энергии может быть осуществлено с использованием любого из материалов, описанных здесь, или с использованием комбинаций таких материалов.
[53] Олигомерные и/или молекулярные машины могут включать устройства, способные осуществлять контролируемые движения на наноуровне. Некоторые олигомерные и/или молекулярные машины демонстрируют конформационную бистабильность, причем эти машины при определенных условиях могут быть способны переключаться по меньшей мере между двумя конформациями при применении одного или нескольких стимулов. Некоторые олигомерные и/или молекулярные машины могут содержать различные компоненты, такие как олигомерные модули, изгибные и/или шарнирные области и удлинители.
[54] Олигомерные машины могут быть сконфигурированы так, чтобы проявлять конформационную бистабильность, и могут содержать олигомерные модули, выбранные и соединенные так, чтобы проявлять контролируемые и/или воспроизводимые конформационные изменения. Конформационная бистабильность может характеризоваться существованием по меньшей мере двух различимых конформационных состояний, в которых спонтанные или воспроизводимые переходы между такими состояниями могут быть контролируемыми. Неограничивающие примеры конформационных состояний включают пространственную форму или расположение молекулярного, олигомерного и/или полимерного материала. Например, олигомерная цепь может иметь вытянутую форму или может быть свернута в изогнутую форму. Бистабильность подразумевает, что по крайней мере два конформационных состояния достаточно стабильны или метастабильны для желаемого процесса или применения. Например, олигомерную цепь с растянутым состоянием и изогнутым состоянием можно неоднократно переводить вперед и назад между растянутым состоянием и изогнутым состоянием, например, подвергая олигомерную цепь воздействию температуры в критическом температурном диапазоне и/или к силовой нагрузке в критическом диапазоне сил. Олигомерные машины, обладающие конформационной бистабильностью, могут быть использованы для наномеханических операций. Наномеханика относится к движениям, совершаемым структурами материала, такими как, например, молекулярные, олигомерные и/или полимерные структуры, в нанометровом масштабе. Атомные колебания таких структур обычно намного меньше, чем размер структуры и ее движения. В настоящее время промышленная миниатюризация приборов и машин осуществляется на основе нисходящего проектирования. В настоящее время промышленно достижимы масштабы в несколько десятков нанометров. В то же время становится ясно, что при приближении к размеру около 10 нм при нисходящем проектировании стоимость точных манипуляций с помощью «макроскопических» устройств резко возрастает и становится слишком дорогой при типичном серийном производстве. Альтернативно, для манипуляций с объектами размером в несколько нанометров следует использовать «молекулярные машины» примерно такого же размера. Наномеханика обеспечивает машиноподобные движения в нанометровом масштабе с использованием жестких наноразмерных материалов. Под машинным движением может подразумеваться движение «твердого» агрегата, т. е. движение жестких конструкций, при котором колебания атомов значительно меньше характерных размеров конструкции и масштаба их движений. Поскольку атомные колебания при комнатной температуре составляют порядка 1 ангстрема, минимальный размер функциональных единиц обычно не будет существенно меньше 1 нанометра.
[55] Стохастический резонанс - это особый динамический режим, который можно реализовать, применяя периодическое воздействие к самопроизвольно колеблющейся бистабильной системе. Спонтанные колебания представляют собой особый динамический режим, который может быть характерен для бистабильной системы. Бистабильность может быть реализована нелинейными динамическими системами с критическим поведением. Критическая температура или критическая сила относятся к критической точке, где появляется новая (вторая) ветвь динамики стационарного состояния и система становится бистабильной.
[56] На фигуре 1 показан примерный вариант реализации, включающий два различных конформационных состояния поли-N-изопропилакриламида длиной 20 единиц (олиго-NIPAm-20) с контролируемыми температурой переходами между открытым ( 100 ) и закрытым ( 101 ) конформационными состояниями. Фигура 2 иллюстрирует контролируемый температурой переход между открытым ( 200 ) и закрытым ( 201 ) состоянием примерного олиго-NIPMAm-20 при 290 К. Фигура 3 иллюстрирует контроль конформационных переходов в примерном варианте осуществления, содержащем олиго-NIPMAm-30. (элемент 303), в котором сжимающие силы (304) прикладывают к концам олиго-NIPMAm-30 с одним фиксированным концом (302). Критические силы могут быть связаны с критическими температурами бистабильности олигомерных машин. В этом примерном варианте при сжатии, близком к 400 пН (пиконьютон), олигомерная машина становится бистабильной, то есть появляется новая ветвь стационарных состояний с близкими конформациями (306), и система может самопроизвольно вибрировать (301) между открытое конформационное состояние (305) и закрытое конформационное состояние (306).
[57] В некоторых вариантах реализации механические свойства могут быть аналогичны действию классических нелинейных механических систем, таких как арка Эйлера или машина катастроф Зеемана. Машины катастроф - это механические устройства с динамикой, демонстрирующие «катастрофы». На фиг . 4 изображена арка Эйлера, которая представляет собой одну из простейших механических конструкций с «катастрофическим» поведением и состоит из двух жестких стержней (403 и 405), соединенных упругим шарниром (404). Для демонстрации «катастроф» один край арки Эйлера фиксируется (402), а другой край сжимается внешней силой. Когда сжимающая сила достигает критического значения, дуга Эйлера резко изгибается. При малых сжимающих силах дуга Эйлера остается растянутой, однако, как только сжимающая сила превышает критическое значение, дуга Эйлера резко изгибается (400 и 401 изображают два изогнутых состояния) . В теории динамических систем такие резкие изменения известны как «катастрофы». Соответственно, арку Эйлера называют «машиной катастроф». Те же катастрофы можно продемонстрировать, приложив к согнутой арке тянущую силу. Бистабильность дуги Эйлера описывается бифуркационной диаграммой модели катастрофы возврата, изображенной на фигуре 5. В областях I и V на фигуре 5 потенциальная энергия имеет единственный минимум, относящийся к изогнутой и выпрямленной дуге Эйлера соответственно. В областях II и IV имеются два минимума энергии, среди которых один из них доминирует, а в области III два локальных минимума энергии симметричны и ни одно из двух состояний не доминирует. Область III представляет собой область бистабильности, где арка, подверженная случайным возмущениям, может самопроизвольно колебаться между двумя изогнутыми состояниями. Спонтанные колебания можно преобразовать в регулярные скачки между двумя состояниями, называемые стохастическим резонансом, путем приложения слабой гармонической силы. Некоторые примерные варианты реализации включают наноразмерные олигомерные машины, сконфигурированные для проявления «катастрофического» механического поведения с бистабильностью, спонтанными вибрациями и стохастическим резонансом. Предпочтительный вариант наномеханического устройства, которое действует как катастрофическая машина, может представлять собой олигомерную машину, состоящую из двух устойчивых сегментов Куна, соединенных посредством изгиба или шарнирного соединения. Такие варианты реализации неожиданно демонстрируют динамическое поведение катастрофических машин размером в несколько нанометров. Это можно продемонстрировать на примере двух образцовых олигомерных машин (олиго-NIPAm-20 и олиго-NIPMAm-30), подвергнутых действию тянущей силы, изученной методами компьютерного моделирования. Пакет молекулярной динамики GROMACS использовался для атомистического моделирования динамики олигомерных машин в воде при температурах ниже и выше критической температуры перехода из изогнутого состояния в растянутое состояние. Силовое поле OPLS-AA в сочетании с явной моделью воды TIP3P используются для описания меж- и внутримолекулярных взаимодействий. В таких примерных вариантах реализации олигомерная машина в изогнутой (тесной) конформации (600) при постоянной температуре подвергается приложенной силе на одном крае цепи (603), а другой край цепи был зафиксирован (602), вызывая переход в распрямленную (открытую) конформацию (601). Эта конфигурация изображена на фигуре 6 . При варьировании тянущей силы F, которая инициирует переход из согнутого состояния в выпрямленное состояние, пороговая сила составляет около 400 пН для олигомера NIPMAm-30 и 120 пН для олигомера NIPAm-20. На фигуре 7 показаны временные ряды расстояния от края до края олигомера NIPMAm-30. Кривая (701) соответствует тянущей силе, меньшей порогового значения, кривая (702) соответствует области критической силы, а кривая (703) соответствует тянущей силе, превышающей пороговое значение. Силы тяги, меньшие порогового значения, не стимулируют переход от изогнутых конформаций к растянутым. Силы, значительно превышающие пороговое значение, стимулируют скачкообразный переход от изогнутой конформации к растянутой за достаточно короткое время. Силы тяги в критической области стимулируют спонтанные колебания между изогнутыми и растянутыми конформациями. В динамике составов наблюдается конформационная бистабильность, когда внешняя сила превышает пороговое значение. Фигура 8 демонстрирует конформационную бистабильность для некоторых типичных вариантов реализации. На фигуре 8 кривая (802) соответствует силе 325 пН, кривая (803) соответствует силе 350 пН, кривая (804) соответствует силе 375 пН, кривая (805) соответствует силе 400 пН, а кривая (806) соответствует усилию 425 пН. В этих образцовых системах вблизи пороговой силы олиго-NIPMAm-30 и олиго-NIPAm-20 попеременно посещают согнутое и растянутое состояния. Панель (800) изображает спонтанные колебания в области критических сил. Конформационная бистабильность со спонтанными колебаниями демонстрируется при небольших отклонениях, до 20 пН, около 390 пН для олиго-НИПМАм-30 и 120 пН для олиго-НИПАм-20. При больших отклонениях олигомерные машины имеют хорошо выгнутое состояние, согнутое или растянутое соответственно. Таким образом, бистабильность может быть продемонстрирована примерными вариантами реализации динамики. В этом смысле олиго-NIPMAm-30 и олиго-NIPAm-20 могут проявлять «катастрофическую» наномеханическую динамику.
[58] В некоторых вариантах реализации циклическое изменение параметра управления вблизи порогового значения может быть продемонстрировано с использованием полноатомного компьютерного моделирования в режиме стохастического резонанса путем применения дополнительной слабой осциллирующей силы для моделирования стохастического резонанса. Циклическое изменение силы тяги вблизи порогового значения Fc=400 пН реализовывали путем установки элементарного заряда на подвижный конец олигомера и приложения слабого осциллирующего электрического поля с амплитудой Е 0 в пределах 0,01-1,00 В/нм и частота варьировалась в пределах 50-500 МГц. Стохастический резонанс однозначно наблюдался при изменении этих управляющих параметров. Примерный вариант реализации проиллюстрирован на фигуре 9 , где изображен стохастический резонанс олигомера NIPMAm-30, контролируемый слабой осциллирующей силой. Графики ( 900 ) и ( 901 ) показывают спонтанные колебания между двумя состояниями и частотные спектры переходов в случае, когда к олигомеру не приложена колебательная сила. Графики ( 902 ) и ( 903 ) показывают эффект стохастического резонанса и частотные спектры переходов в случае, когда слабая колебательная сила контролирует колебания олигомера. В некоторых вариантах реализации нанометровый масштаб позволяет напрямую получить доступ к режиму бистабильности спонтанных колебаний с тепловыми флуктуациями. В некоторых вариантах реализации новый класс наномеханических устройств, нановибраторы, может быть создан с использованием неожиданного эффекта термически активированной вибрации бистабильных олигомерных машин. Фигура 10 представляет собой схематическое представление этого принципа, где ( 1000 ) изображен энергетический профиль бистабильной системы, которая колеблется между изогнутым (1001) и растянутым (1002) состояниями. Элементы (1003), (1004), (1005), (1006), (1007), (1008) и (1009) на фиг. 10 изображают растянутую форму, фиксированный край, жесткий элемент, область изгиба или шарнира, жесткий элемент, приложенная сила и вибрационное действие соответственно. Предпочтительным наномеханическим вариантом реализации могут быть композиции олиго-NIPMA-30 или олиго-NIPAm-20, состоящие из двух устойчивых сегментов Куна длиной около 1 нанометра, соединенных посредством изгиба или шарнирного соединения. Методами компьютерного моделирования исследована динамика олигомерных машин под действием тянущих сил. Пакет молекулярной динамики GROMACS использовался для атомистического моделирования олигомерных машин в воде при температуре выше критической. Силовое поле OPLS-AA в сочетании с явной моделью воды TIP3P используются для описания меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Динамика олигомерных машин характеризуется зависимостью от времени межкраевых расстояний в цепи. Термически индуцированные спонтанные вибрации олигомерных машин устанавливаются путем точной настройки силы тяги вблизи порогового значения. Фигура 11 иллюстрирует примерный вариант реализации и показывает временную зависимость расстояний от края до края в олигомере олиго-NIPMAm-30 в режиме вибрации вблизи критической силы тяги Fc=400 пН. Вблизи порогового значения силы тяги для типичных вариантов реализации олиго-NIPMAm-30 и NIPMAm-20 олигомеры попеременно посещают как открытое, так и закрытое состояния. Вибрация между этими состояниями возникает при достаточно небольших отклонениях тянущей силы, до 20 пН, от 400 пН для олиго-НИПМАм-30 и от 120 пН для олигомера НИПАм-20. Фигура 12 демонстрирует для этих примерных вариантов реализации, что при больших отклонениях, например, когда бистабильный потенциал сильно асимметричен, олигомерные машины застревают в одном из двух состояний и вибрация не возникает. На фигуре 12 изображена статистика посещения согнутого и растянутого состояний, нормализованная по максимальному значению для примерного варианта реализации олиго-NIPMAm-20 вблизи ( 1200 ) и вдали от ( 1201 ) критической силы натяжения соответственно. Кривые (1202), (1203), (1204), (1205), (1206) и (1207) соответствуют силам 280 пН, 300 пН, 320 пН, 230 пН, 250 пН и 280 пН соответственно. В некоторых примерных вариантах реализации нековалентные взаимодействия могут использоваться для модуляции этого бистабильного вибрационного поведения. На фигуре 13 показан примерный вариант реализации, в котором водородные связи вдоль цепи олиго-NIPMAm-30 и между олиго-NIPMAm-30 и окружающей водой модулируют вибрацию. Удивительно, но в этих примерных вариантах реализации не наблюдается никакой корреляции между количеством водородных связей, окружающих краевые части цепи NIPMAm-30, и вибрацией. На фигуре 13 изображен примерный вариант олигомера NIPMAm-30 и показана зависимость от времени количества водородных связей, окружающих шарнирное положение на верхних кривых ( 1300 и 1302 ), и расстояния от края до края цепи на нижней кривой ( 1301 и 1302 ) . 1303 ) для тянущих усилий Fc =400 pN на левой панели ( 1300 и 1301 ) и F=500 pN на правой панели ( 1302 и 1303 ). Такие варианты реализации показывают, что водородные связи, окружающие шарнирное положение олигомера NIPMAm-30, играют доминирующую роль в механических колебаниях олигомерной машины. В этом варианте олигомерная машина попеременно посещает два состояния с интервалом времени в среднем около 5 наносекунд, что соответствует перепрыгиванию активационного барьера около 10 кБТ, а колебания модулируются коммутациями около 1 водородной связи в место расположения петель. Термически индуцированные спонтанные вибрации раскрывают важную особенность некоторых вариантов реализации молекулярных и/или олигомерных машин. Механическое движение таких вариантов хорошо отличается от тепловых колебаний, но в то же время действие машины может быть активировано даже за счет низкопотенциальной тепловой энергии.
Дополнительные варианты осуществления олигомерных машин для сбора энергии
[59] В некоторых вариантах осуществления олигомерная машина содержит первый олигомерной модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерной модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и отличающийся тем, что олигомерная машина проявляет динамическую бистабильность, самопроизвольные колебания и/или случайный резонанс в растворе при температуре, когда температура находится в критическом диапазоне температур, и олигомерная машина не проявляет случайного резонанса в растворе, когда температура не находится в критическом диапазоне температур; и в котором олигомерная машина проявляет динамическую бистабильность, самопроизвольные колебания и/или стохастический резонанс в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в диапазоне критических усилий, а температура не находится в диапазоне критических температур, и олигомерная машина не проявляет динамической бистабильности, самопроизвольных колебаний и стохастического резонанса в растворе, когда и силовая нагрузка, и температура не находятся в критических диапазонах.
[60] Динамическая бистабильность, спонтанные колебания и/или стохастический резонанс характеризуются тем, что олигомерная машина многократно спонтанно или регулярно вибрирует между первой конформацией и второй конформацией. Конформация олигомерной машины может характеризоваться относительной ориентацией и смещением соответствующих вторых концов первого и второго олигомерных модулей. Если бистабильная система возмущена случайными воздействиями и если эти возмущения достаточно сильны относительно барьера бистабильности, то система будет прыгать между двумя минимумами энергии, совершая спонтанные колебания. Стохастический резонанс - это регуляризация спонтанных колебаний слабой осциллирующей силой, приложенной к бистабильной системе. То есть, приложив к системе в режиме спонтанных колебаний слабую осциллирующую силу, случайные скачки между двумя состояниями, характерные для спонтанных колебаний, можно преобразовать в более регулярные скачки, характерные для стохастического резонанса.
[61] Олигомерные модули представляют собой олигомеры, содержащие несколько и/или множество повторяющихся мономерных остатков. Олигомеры могут содержать один или несколько типов мономерных остатков. Например, олигомеры могут содержать один, два, три или более типов мономерных остатков. Типы мономеров не могут быть особенно ограничены при условии, что олигомерные машины демонстрируют спонтанные вибрации и стохастический резонанс в растворе при критической температуре и/или при критической силовой нагрузке, приложенной к олигомерной машине. Например, мономерные остатки могут включать необязательно замещенные остатки акриламида, необязательно замещенные остатки (мет)акриламида, необязательно замещенные остатки (мет)акриловой кислоты, необязательно замещенные азиридиновые остатки, необязательно замещенные эпоксидные остатки, алкоксизамещенные этановые остатки или их комбинации. В общем, термин «замещенный» относится к замене водородных радикалов в данной структуре радикалом определенного заместителя, такого как C 1 -C 8 алкильная группа. В предпочтительных вариантах реализации мономерные остатки выбирают из остатков N-этилакриламида, остатков 2-(изопропилкарбамоил)акриловой кислоты, остатков 1-(азиридин-1-ил)-2-метилпропан-1-она, остатков метоксиэтена и остатков 2-метилоксирана. и их комбинации.
[62] Олигомеры могут быть синтезированы различными методами. Синтез олигомеров особенно не ограничен, и некоторые типичные методы включают итерационный синтез, ступенчатый синтез с ростом, реакции полимеризации, живую полимеризацию, живую радикальную полимеризацию, радикальную полимеризацию с переносом атома, анионную полимеризацию, катионную полимеризацию, обратимую фрагментацию присоединения, полимеризацию с переносом цепи, полимеризацию с открытым кольцом. полимеризация, реакции метатезиса и/или синтез на твердом носителе. Олигомеры могут быть синтезированы в одной реакции или в нескольких реакциях. Методы очистки могут использоваться для фракционирования и/или разделения олигомеров, например, по молекулярной массе, функциональности, тактичности, стереохимии и/или региохимии. Олигомеры могут содержать более одного типа мономеров и могут иметь различную архитектуру, такую как блок-соолигомеры, разветвленные олигомеры, статистические соолигомеры и/или градиентные олигомеры. Олигомеры могут быть соединены вместе различными способами, такими как, например, клик-химия, азоалкиновая химия, тиол-еновая химия, эпоксидная химия, реакции Дильса-Альдера, замещения на концах цепи, и/или могут быть синтезированы вместе в одном и/или несколько стадий реакции. Олигомеры могут быть телехелическими. Тактичность можно контролировать с помощью различных средств, таких как, например, выбор катализатора, выбор растворителя, температура реакции, выбор лиганда и/или выбор реакции полимеризации. Молекулярную массу олигомеров можно контролировать путем контроля температуры реакции, концентрации мономера, концентрации инициатора, концентрации ингибитора, продолжительности реакции, постсинтетического разделения и/или реакции можно остановить.
[63] Олигомеры и/или олигомерные машины могут быть соединены с поверхностями и/или твердыми носителями с помощью различных средств, таких как, например, клик-химия, азоалкиновая химия, тиол-еновая химия, эпоксидная химия, реакции Дильса-Альдера, силановая химия и /или могут быть синтезированы на поверхности и/или твердых носителях за одну и/или несколько стадий реакции. Олигомерную машину можно иммобилизовать на подходящей органической или металлической поверхности, зафиксировав один конец олигомерной машины на поверхности и оставив другой конец перемещаться под действием сжимающих или тянущих сил. Олигомерная машина может иметь заряд, такой как суммарный положительный или суммарный отрицательный заряд, связанный с одним концом, а второй конец олигомерной машины может быть иммобилизован на подходящей поверхности, такой как, например, органическая или металлическая поверхность. К олигомерной машине можно приложить электрическое поле, чтобы приложить к олигомерной машине силовую нагрузку. Электрическое поле может быть постоянным во времени или может меняться со временем. Электрическое поле может быть периодическим, имеющим величину и частоту. Электрическое поле может быть ориентировано вдоль длинной оси олигомерной машины. В некоторых вариантах реализации суммарный отрицательный заряд может быть связан с одним концом олигомерной машины с использованием одной или нескольких групп карбоновой кислоты. В некоторых вариантах реализации суммарный положительный заряд может быть связан с одним концом олигомерной машины с использованием аминогрупп. В некоторых вариантах реализации олигомерная машина может быть иммобилизована на поверхности с использованием, например, тиоловых групп, силановых групп или химии нитрена. В некоторых вариантах реализации олигомерную машину можно синтезировать из группы инициатора, прикрепленной к поверхности.
[64] Некоторые иллюстративные варианты реализации включают олигомеры, содержащие N-изопропилакриламид (NIPAm) и/или N-изопропилметакриламид (NIPMAm). Некоторые иллюстративные варианты реализации включают блок-соолигомеры N-изопропилакриламида и/или N-изопропилметакриламида. Некоторые типичные варианты реализации включают блок-соолигомеры N-изопропилакриламида и/или N-изопропилметакриламида с одним или несколькими изотактическими, атактическими и/или синдиотактическими блоками. Некоторые олигомеры содержат по меньшей мере 10, по меньшей мере 15, по меньшей мере 20, по меньшей мере 25 и/или по меньшей мере 30 мономерных звеньев. В некоторых вариантах реализации каждый из первого и второго олигомерных модулей содержит от 10 до 30 повторяющихся единиц. Некоторые олигомеры имеют персистентную длину по меньшей мере 0,5 нм, по меньшей мере 1 нм и/или по меньшей мере 2 нм. Некоторые олигомеры могут иметь длину по меньшей мере 0,5 нм, по меньшей мере 1 нм, по меньшей мере 2 нм, по меньшей мере 5 нм и/или по меньшей мере 10 нм. В некоторых вариантах реализации каждый из первого и второго олигомерных модулей имеет персистентную длину от 0,5 нм до 20 нм. В некоторых вариантах реализации первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля через линкерную единицу, имеющую длину персистентности, которая меньше, чем длина персистентности как первого, так и второго олигомерных модулей.
[65] Некоторые олигомеры могут обладать более низкой критической температурой растворения (НКТР). Некоторые олигомеры могут иметь верхнюю критическую температуру растворения (UCST). Объемный поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAm) демонстрирует LCST. НКТР олигомера может отличаться от НКТР более длинного полимера, полученного из тех же мономерных звеньев. НКТР олигомера можно изменить путем изменения состава олигомера. НКТР олигомера можно изменить, регулируя соотношение сомономеров в олигомере. Некоторые олигомеры могут быть полидисперсными. Некоторые олигомеры могут быть монодисперсными. Некоторые олигомеры могут не обладать значительной полидисперсностью. Некоторые типичные варианты реализации могут включать олигомерные фрагменты PNIPMAm из 20-30 единиц и PNIPMAm (поли-N-изопропилметакриламид) той же длины. Некоторые варианты реализации включают композиции блок-соолигомеров с центральным фрагментом PNIPAm из 5-15 единиц и двумя концевыми фрагментами PNMIPAm из 5-20 единиц. Такие примерные варианты реализации могут быть сконфигурированы так, чтобы демонстрировать два четко различимых конформационных состояния, одно из которых соответствует развернутой, растянутой форме олигомерного фрагмента, тогда как другое имеет сложенную, изогнутую форму. Переходы между этими конформационными состояниями в этих примерных вариантах осуществления реализуют механические наномасштабные движения частей фрагмента.
[66] Олигомерные модули могут быть соединены вместе. Олигомерные модули могут быть соединены вместе во время синтеза олигомерных модулей. Олигомерные модули могут быть соединены вместе в ходе последующей реакции. Олигомерные модули могут быть соединены вместе в области изгиба и/или шарнира. Изгибная и/или шарнирная область может быть присуща олигомерной структуре. Изгибающаяся и/или шарнирная область может содержать дополнительную молекулярную и/или олигомерную структуру. Изгибающаяся и/или шарнирная область может содержать остаточный продукт реакции связывания, такой как, например, реакция щелчка, реакция модификации конца цепи, тиол-еновая реакция, азоалкиновая реакция, реакция Дильса-Альдера, эпоксидная реакция, реакция этерификации и/или реакция циклоприсоединения. Область изгиба и/или шарнира может быть гибкой. Изгибающаяся и/или шарнирная область может содержать, например, остатки акриламида, остатки метакриламида, эфирные связи, звенья этиленоксида, пептиды и/или пептоиды. В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте соединения первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем. модуль.
[67] Олигомерные машины могут быть сконфигурированы так, чтобы проявлять стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе, когда раствор находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе, когда раствор не находится в критической температуре. диапазон. Олигомерные машины могут содержать олигомерные модули, выбранные и соединенные таким образом, чтобы проявлять стохастический резонанс в растворе, когда раствор находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс в растворе, когда раствор не находится в критической температуре. Олигомерные машины могут содержать олигомерные модули, выбранные и соединенные таким образом, чтобы проявлять стохастический резонанс и/или спонтанные колебания в растворе, когда раствор находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе, когда раствор не находится в критической температуре.
[68] Олигомерные машины могут быть сконфигурированы так, чтобы проявлять стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в критическом диапазоне сил, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации. в решении, когда силовая нагрузка не находится в критическом диапазоне сил. Олигомерные машины могут содержать олигомерные модули, выбранные и соединенные таким образом, чтобы проявлять стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в критическом диапазоне сил, и олигомерная машина не демонстрирует стохастических колебаний. резонансные и/или самопроизвольные колебания в растворе, когда силовая нагрузка не находится в критическом диапазоне сил.
[69] Критическая температура представляет собой температуру, при которой олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные колебания, а критический температурный диапазон представляет собой диапазон температур, включающий критическую температуру, при которой олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации. Критический диапазон температур может находиться в диапазоне температур, заданном от 250 до 400 К, от 275 до 375 К и/или от 300 до 350 К. Диапазон критических температур может находиться в диапазоне температур, определяемом от -25°C до 100°C, от 0°C до 100°C и/или от 25°C до 100°C. Критический диапазон температур может находиться в диапазоне температур, заданном от 25°C до 45°C. Критический диапазон температур может быть увеличен. или уменьшаться за счет изменения состава раствора. Например, критический диапазон температур можно увеличить или уменьшить путем изменения ионной силы, pH и/или массового процента растворителей и/или сорастворителей в растворе.
[70] Критическая силовая нагрузка - это силовая нагрузка, при которой олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации, а критический диапазон сил - это диапазон силовых нагрузок, включая критическую силовую нагрузку, при которой олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации. . Критический диапазон усилий может находиться в пределах диапазона усилий, заданного от 25 пН (пиконьютон) до 200 пН, от 100 пН до 350 пН и/или от 300 пН до 450 пН. Критический диапазон усилий может находиться в диапазоне усилий от 370 до 400 пН. Диапазон критических сил можно увеличить или уменьшить путем изменения состава раствора. Например, диапазон критической силы можно увеличить или уменьшить путем изменения ионной силы, pH и/или массового процента растворителей и/или сорастворителей в растворе.
[71] Раствор может представлять собой водный раствор. Водные растворы могут содержать одну или несколько солей, таких как, например, галогенидные соли, такие как хлорид натрия, или фосфатные соли, такие как фосфат натрия. Водные растворы могут содержать один или несколько буферов, таких как, например, фосфатно-солевой буфер, трис-буфер, ацетатный буфер, HEPES-буфер, буферы Гуда. Водный раствор может представлять собой жидкость организма. Водный раствор может представлять собой жидкость организма, полученную от субъекта, такого как человек. Водный раствор может представлять собой образец крови. Водный раствор может представлять собой образец слюны.
[72] Олигомерные машины, способные проявлять конформационную бистабильность, могут содержать электрогенерирующие элементы и могут быть сконфигурированы для приведения в действие электрогенерирующего элемента. Электрогенерирующим элементом может быть, например, пьезоэлектрический элемент, наночастица, нанослой и/или нанотрубка. Олигомерная машина может быть сконфигурирована таким образом, что при переходе олигомерной машины из первой конформации во вторую конформацию олигомерная машина прикладывает напряжение к элементу, генерирующему электроэнергию, такому как, например, пьезоэлектрический элемент. Напряжение может включать в себя сжимающую силу, растягивающую силу или сдвиговую силу. Олигомерная машина может быть сконфигурирована для приложения напряжения к электрическому генерирующему элементу различными способами. Олигомерная машина может быть сконфигурирована таким образом, что при переходе олигомерной машины из первой конформации во вторую конформацию она прикладывает сжимающее напряжение к пьезоэлектрическому элементу, тем самым генерируя напряжение. Электрогенерирующий элемент может быть присоединен ковалентно или нековалентно к олигомерной машине. Электрический генерирующий элемент может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к олигомерной машине в месте изгиба и/или шарнира. Электрический генерирующий элемент может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к олигомерной машине в месте изгиба и/или шарнира, так что при переходе олигомерной машины из открытой или выпрямленной конформации в закрытую или изогнутую конформацию олигомерная машина прикладывает напряжение к электрогенерирующий элемент. Электрический генерирующий элемент может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к одному из концов олигомерной машины, состоящей из двух олигомерных модулей, соединенных шарнирной областью. Электрический генерирующий элемент может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к одному из двух концов олигомерной машины, состоящей из двух олигомерных модулей, соединенных шарнирной областью, так что при переходе олигомерной машины из открытой или выпрямленной конформации в закрытую или изогнутую конформацию, олигомерная машина прикладывает нагрузку к электрическому генерирующему элементу.
[73] Олигомерные машины, способные проявлять конформационную бистабильность, могут содержать механоэлектрический преобразующий элемент. Механико-электрический преобразователь может содержать, например, конденсатор переменной емкости с подвижным нанослоем и/или нанотрубкой. Олигомерные машины могут быть сконфигурированы таким образом, что при переходе олигомерной машины из первой конформации во вторую конформацию олигомерная машина прикладывает напряжение к нанослою и/или нанотрубке механо-электрического преобразующего элемента. Напряжение может включать в себя сжимающую силу, растягивающую силу или сдвиговую силу. Олигомерная машина может быть сконфигурирована для приложения напряжения к нанослою и/или нанотрубке механико-электрического элемента различными способами. Олигомерная машина может быть сконфигурирована таким образом, что при переходе олигомерной машины из первой конформации во вторую конформацию она приводит в движение нанослой и/или нанотрубку, таким образом генерируя ток смещения конденсатора. Механико-электрический элемент может быть присоединен ковалентно или нековалентно к олигомерной машине. Механико-электрический элемент может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к одному из концов олигомерной машины, состоящей из олигомерных модулей, соединенных шарнирными областями. Механико-электрический преобразователь может быть прикреплен ковалентно или нековалентно к одному из концов олигомерной машины, состоящей из двух олигомерных модулей, соединенных шарнирными областями, так что при переходе олигомерной машины из открытой или выпрямленной формы в закрытую или изогнутую.
[74] Олигомерные машины, способные проявлять конформационную бистабильность, могут содержать фотопоглощающие элементы и могут быть выполнены с возможностью изменения конформации при поглощении световой энергии. Фотопоглощающие элементы могут включать, например, одну или несколько молекул красителя, сопряженную молекулу, ароматическую молекулу, полупроводниковый олигомер и/или полимер, квантовую точку, наночастицу, стильбеновый фрагмент, азобензольный фрагмент и/или связь, настроенная на цис-транс-изомеризацию. Олигомерные машины, способные проявлять конформационную бистабильность, могут содержать фотопоглощающие элементы в одной или нескольких областях изгиба и/или шарнира. Олигомерные машины, способные проявлять конформационную бистабильность, могут содержать связь, сконфигурированную для цис-транс-изомеризации в одной или нескольких областях изгиба и/или шарнира, так что при поглощении света связь, сконфигурированная для цис-транс-изомеризации, изомеризуется, таким образом вызывая конформационные изменения олигомерная машина. Связь, сконфигурированная для цис-транс-изомеризации, может быть включена в олигомерную машину, например, посредством реакции полимеризации бифункционального инициатора, содержащего связь, сконфигурированную для цис-транс-изомеризации.
[75] Олигомерная машина может содержать элемент поршневого типа. Элемент поршневого типа может представлять собой жесткую молекулярную структуру, такую как нанотрубка, и/или молекулярную структуру, имеющую персистентную длину более 10 нм. Олигомерная машина может быть прикреплена к поверхности на одном конце и к жесткой молекулярной структуре на втором конце. Олигомерная машина может быть сконфигурирована таким образом, что изменение конформации приводит к механическому приведению в действие жесткой молекулярной структуры. Олигомерная машина может быть прикреплена к поверхности с использованием, например, тиоловой химии, силановой химии и/или химии нитрена. Олигомерную машину можно синтезировать на твердой основе. Олигомерная машина может быть присоединена к жесткой молекулярной структуре с использованием, например, тиоловой химии, клик-химии и/или нитреновой химии. Олигомерную машину можно синтезировать на основе жесткой молекулярной структуры. Олигомерная машина может быть синтезирована на твердой основе и/или прикреплена к ней и может содержать концевую функционализацию, предназначенную для связывания жесткой молекулярной структуры. Жесткая молекулярная структура может быть сконфигурирована для связывания и/или взаимодействия с олигомерным механизмом с концевыми функциональными группами. В некоторых вариантах реализации в качестве силовых блоков в олигомерной машине можно использовать олигомерные композиции размером в несколько нанометров, которые обладают свойством конформационной бистабильности. Наномеханическое устройство типа поршневого двигателя с бистабильной олигомерной композицией, действующее как силовой агрегат, изображено на Фигуре 14А, где (1400) изображен пример точки крепления к поверхности, (1401) изображен примерный олигомерный компонент машины, (1402). изображает примерный элемент поршневого типа, (1403) изображает примерный цикл приведения в действие, и (1404) изображает примерный радиус вращения в зависимости от времени. Такой вариант реализации может представлять собой сложную композицию, состоящую из трех конструктивных элементов. Два элемента могут представлять собой две нанотрубки, коаксиально вставленные одна в другую, как поршень в цилиндр. Внутренняя нанотрубка подвижна и действует как поршень, а внешняя нанотрубка неподвижна и действует как цилиндр. Третий функциональный элемент наномеханического устройства может содержать бистабильный олигомер, один конец которого фиксирован, а другой конец соединен с внутренней нанотрубкой структуры поршень-нанотрубка.
[76] Олигомерная машина может иметь один фиксированный конец и один демпфированный конец. Демпфирующая группа - это группа, которая демпфирует движение олигомерной машины. Демпфирующая группа может быть или не быть элементом поршневого типа. На фигуре 14B изображен примерный вариант осуществления, включающий олигомерную машину олиго-PNIPMAm-30, имеющую один фиксированный конец и один конец, демпфированный с помощью демпфирующей группы. Коэффициент затухания атомов затухающей группы равен 10 пс-1. Коэффициент затухания для всех остальных атомов равен 0,5 пс-1. Сжимающая сила для режима самопроизвольных колебаний равна 393 пН. На фигуре 14C изображены спонтанные колебания типовой системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30. На фигуре 14D изображена энергия, извлеченная из примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, с помощью демпфирующей группы. На фигуре 14E изображен стохастический резонанс примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, во внешнем гармоническом поле V = 0,2 В/нм, частота = 100 МГц. На фигуре 14F изображена энергия, извлеченная из примерной системы, содержащей олиго-PNIPMAm-30, с помощью демпфирующей группы. На фигуре 14G изображена энергия, нагнетаемая в типовую систему, содержащую олиго-PNIPMAm-30, внешним гармоническим полем.
Неограничивающие примерные варианты осуществления олигомерных машин и их применения
[77] В некоторых вариантах реализации олигомеры PNIPam, имеющие длину около двух совместных сегментов Куна, могут претерпевать обратимое конформационное изменение, когда температура растворенного вещества превышает НКТР, таким образом воспроизводимо изменяя взаимную ориентацию сегментов Куна. Это можно продемонстрировать с помощью серии вычислительных экспериментов. Полный атомный пакет молекулярной динамики GROMACS использовался для выполнения атомистического моделирования олигомера NIPAM в водном растворе при температурах ниже и выше LCST. Силовое поле OPLS-AA в сочетании с явной моделью воды TIP3P используются для описания меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Конформация цепи характеризуется радиусом вращения и/или расстоянием между концами цепи. В примерном варианте олигомер может содержать 20 мономерных звеньев NIPAm, соединенных изотактически (называемых олиго-NIPAm-20). На фигуре 15 изображен примерный вариант олиго-NIPAm-20i, в котором цепь разворачивается при температуре 280 К со средним радиусом инерции 1,20 нм ( 1500 и 1501 ) и сворачивается при температуре 320 К до состояния со средним радиус инерции 0,90 нм ( 1502 и 1503 ).
[78] Для некоторых вариантов реализации оптимальным является 25-30 мономерных звеньев, соединенных синдиотаксически, и, по-видимому, это соответствует примерно двум постоянным сегментам Куна. Например, олигомер, состоящий из 15 синдиотактически соединенных мономеров NIPAm (названный олиго-NIPAm-15), не проявляет конформационной бистабильности в ответ на изменение температуры, имея радиус инерции 0,97 нм при 280 К и 0,98 нм при 320 К.
[79] Поли-(N-изопропил)метакриламид (PNIPMAm) также является термочувствительным полимером, который имеет LCST примерно при 315K (42 °C/108 °F). В некоторых вариантах реализации олигомеры PNIPMAm, имеющие длину около двух совместных персистентных сегментов Куна, могут быть выполнены с возможностью конформационного изменения из развернутого состояния в свернутое, когда температура растворенного вещества превышает точку перехода. Пакет молекулярной динамики GROMACS использовался для выполнения полного атомистического моделирования одиночных олигомеров PNIPMAm в воде при температурах ниже и выше LCST. Силовое поле OPLS-AA в сочетании с явной моделью воды TIP3P используется для описания меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Критическая температура для некоторых олигомеров ниже, чем НКТР для объемных полимеров. В некоторых вариантах реализации ожидается, что оно будет находиться в диапазоне от 305К до 310К. На фигурах 16 и 17 изображен примерный вариант олигомера, включающий 30 мономеров NIPMAm, соединенных синдиотактически (названные олиго-NIPMAm-30), и демонстрируется развернутая цепь при температуре 290 К со средним радиусом вращения 1,35 нм (1601), и она сворачивается при температура 310К со средним радиусом инерции 1,15 нм (1602). На фигуре 17 изображено типичное конформационное изменение олигомера от червеобразной развернутой формы ( 1700 ) к V-образной складчатой структуре, подобной шпильке ( 1700 ).
[80] В примерном варианте реализации на Фигуре 18 изображен олигомер, содержащий 30 изотактически соединенных мономеров NIPMAm (названный олиго-NIPMAm-30i). В этом варианте на фиг. 19 показано, что цепочка разворачивается при температуре 290 К со средним радиусом инерции 1,37 нм (1901 г.) и сворачивается при температуре 310 К со средним радиусом инерции 1 нм (1902 г.). В этом варианте осуществления конформация олигомерной цепи изменяется от вытянутой червеобразной формы ( 1800 ) до свернутой шпилькообразной формы ( 1801 ).
[81] Можно продемонстрировать, что некоторые олигомерные структуры не обладают конформационной бистабильностью. Например, олигомер, состоящий из блока из 21 мономера NIPAm, соединенных изотактически, и блока из 19 мономеров NIPAm, соединенных синдиотактически (названный олиго-NIPAm-21i-19s), не демонстрирует термочувствительного сворачивания, как показано на фигуре 20. В моделированиях, выполненных на Олигомеры NIPMAm, состоящие из 20 мономеров, соединенных атактически (названные олиго-NIPMAm-20a) и синдиотактически (названные олиго-NIPMAm-20). Оба олигомера не проявляют конформационной бистабильности. При температурах ниже и выше LCST они имеют средний радиус инерции 1 нм для олиго-NIPMAm-20a и 0,8 нм для олиго-NIPMAm-20. Олигомер, состоящий из 30 соединенных мономеров NIPMAm, атактически названный олиго-NIPMAm-30a, при температуре 290К принимает вытянутую развернутую форму со средним радиусом инерции 1,57 нм, а при температуре 310К имеет несколько более компактную червеобразную форму. со средним радиусом инерции 1,35 нм. Моделирование также было проведено на олигомерах NIPMAm, состоящих из 20 мономеров, соединенных атактически, названных олиго-NIPMAm-20a, и синдиотактически, названных олиго-NIPMAm-20. Оба олигомера не проявляют конформационной бистабильности и при температурах ниже и выше LCST имеют средний радиус инерции 1 нм для олиго-NIPMAm-20a и 0,8 нм для олиго-NIPMAm-20.
[82] В некоторых примерных вариантах реализации, проиллюстрированных на Фигуре 21, олигомер может содержать два соединенных персистентных блока, различающихся по тактичности и включающих блок из 21 мономера NIPAm, соединенных изотактически, и блок из 19 мономеров NIPAm, соединенных атакически (в настоящем документе названный олиго-NIPAm-21i-19a). . Эта структура демонстрирует конформационную бистабильность в ответ на изменение температуры: ниже LCST она принимает развернутую вытянутую форму со средним радиусом инерции 1,37 нм ( 2100 ), а выше LCST олигомер сворачивается в подковообразную форму со средним радиусом вращения 1,1 нм ( 2101 ). Фигура 22 дополнительно иллюстрирует этот примерный вариант осуществления, в котором небольшие колебания радиуса вращения относительно его изменения в сложенном (2202) и развернутом (2201) состояниях показывают, что эти состояния четко определены.
[83] В другом примерном варианте реализации продемонстрирован олигомерный компонент машины, содержащий два жестких фрагмента примерно из 10 изотактических звеньев NIPAm, соединенных посредством изгиба или шарнирного расположения синдиотактического NIPAm. В предпочтительной трехблочной олигомерной машине, содержащей два краевых блока, каждый из 12 мономеров NIPAm, соединенных изотактически, которые соединены местом изгиба, состоящим из 4 мономеров NIPAm, соединенных синдиотактически. Эта композиция обозначена олиго-NIPAm-12i-4s-12i. Ниже LCST состав олиго-NIPAm-12i-4s-12i существует преимущественно в виде вытянутой стержнеобразной структуры со средним радиусом инерции 1,3 нм. Над LCST эта трехблочная олигомерная машина складывается в L-образную рычажную форму со средним радиусом инерции 1,05 нм. На фигуре 23 изображена композиция олиго-NIPAm-12i-4s-12i, которая демонстрирует два хорошо разделенных конформационных состояния: развернутое ( 2300 ) и свернутое ( 2301 ) с воспроизводимыми обратимыми переходами между растянутой формой и L-образной рычажной формой. формируются в ответ на внешний раздражитель. На фигуре 23 элемент (2803) изображает изгибающийся или шарнирный подкомпонент, а элементы (2302) изображают жесткие подкомпоненты.
[84] В другом примерном варианте осуществления трехблочная олигомерная машина состоит из двух краевых блоков, каждый из 15 мономеров NIPAm, соединенных изотактически, соединенных изгибным или шарнирным местом, состоящим из 10 мономеров NIPAm, соединенных синдиотактически, и называется олиго-NIPAm-15i-10s- 15и. Ниже LCST композиция существует в виде вытянутой стержнеобразной структуры со средним радиусом инерции 1,5 нм, тогда как выше LCST она складывается в V-образную шпилькообразную форму со средним радиусом инерции 1,25 нм. На фигуре 24 изображены развернутая и сложенная формы трехблочной олигомерной машины олиго-NIPAm-15i-10s-15i. Композиция олиго-НИПАм-15i-10s-15i также демонстрирует два хорошо разделенных конформационных состояния - развернутое и свернутое, с воспроизводимыми обратимыми переходами между стержневидной растянутой формой и V-образной шпилевидной формой в ответ на внешний стимул. . Результаты полноатомного компьютерного моделирования трех олиго-НИПАм-составов 12s-8i-12s, 9i-6s-9i и 12i-6s-12i изображены на фигуре 25. Изменение порядка блоков (т.е. переключение с 12i-8s от -12i до 12s-8i-12s) приводит к отсутствию бистабильности, при этом система имеет одинаковое конформационное состояние со средним радиусом инерции 1,25 нм при 290К и при 320К. Относительно короткие изотактические блоки (в олигомере 9i-6s-9i) кажутся менее жесткими из-за меньшей вероятности образования водородных связей вдоль цепи, что резко снижает персистентную длину. В результате олигомерная машина складывается как до 290К, так и до 320К со средним радиусом вращения 1 нм. Олигомерная машина под названием 12i-6s-12i демонстрирует разные конформационные состояния при температурах ниже и выше LCST, а свернутое состояние сильно колеблется. В некоторых примерных вариантах реализации другие варианты трехблочных композиций могут иметь два конформационных состояния, но могут демонстрировать меньшую управляемость в изменениях взаимной ориентации жестких краев цепи, когда она сворачивается в ответ на внешний стимул. Таким примерным вариантом реализации может быть трехблочная олигомерная машина, состоящая из двух краевых блоков, каждый из 12 мономеров NIPAm, соединенных изотактически, которые соединены местом изгиба, состоящим из 8 мономеров NIPAm, соединенных синдиотактически. Этот примерный вариант осуществления назван олиго-NIPAm-12i-8s-12i. На фиг. 26 изображена серия моделирования при разных температурах с шагом 10 К. При 280К конструкция ведет себя как жесткий стержень ( 2600 ). При 310К он схлопывается в хорошо сложенное S-образное состояние ( 2601 ). При 330К из-за высокой температуры энтропия доминирует над гидрофобными взаимодействиями, что делает сложенную S-образную форму нестабильной ( 2602 ). Обратите внимание, что форма композиции не меняется в течение длительного времени моделирования. В некоторых вариантах реализации продемонстрированы дополнительные трехблочные олигомеры NIPMAm. Изотактические фрагменты, демонстрирующие высокую жесткость, могут использоваться в качестве краевых блоков, а синдиотактические фрагменты могут сгибаться, а синдиотактический фрагмент может быть включен в качестве места изгиба или шарнира. Предпочтительный трехблочный олигомер, включающий два краевых блока, каждый из 12 мономеров NIPMAm, соединенных изотактически, может быть соединен местом изгиба, состоящим из 7 мономеров NIPMAm, соединенных синдиотактически, и этот примерный вариант осуществления обозначен олиго-NIPMAm-12i-7s-12i. Эта олигомерная машина обладает конформационной бистабильностью с критической температурой, близкой к 300 К. Ниже критической температуры она существует в виде вытянутой стержнеобразной структуры со средним радиусом инерции 1,26 нм, а выше критической температуры сворачивается в Г-образный рычаг. -подобная конформация со средним радиусом инерции 1,12 нм. Как показано на фигуре 27, композиция олиго-NIPMAm-12i-7s-12i демонстрирует два хорошо разделенных конформационных состояния: развернутое ( 2700 ) и свернутое ( 2701 ) с воспроизводимыми обратимыми переходами между растянутой формой и Г-образной рычажной формой. как форма в ответ на внешний раздражитель.
[85] В другом варианте реализации трехблочные соолигомеры, состоящие из двух жестких блоков, соединены изгибающимся третьим блоком. В некоторых вариантах реализации фрагменты олиго-NMIPAm, стереоизомер NIPAm, в котором метильные и изопропильные группы заменены друг на друга, демонстрируют высокую жесткость и могут использоваться в качестве жестких краевых блоков в композиции, в то время как фрагменты олиго-NMIPAm могут изгибаться и могут быть расположен в месте изгиба или шарнира. Например, предпочтительный трехблочный химерный олигомер может содержать два краевых блока NMIPMAm, каждый из 10 мономеров, и соединены местом изгиба, состоящим из 7 мономеров NIPMAm изотактической конфигурации. Композиция этого варианта реализации обозначена 10-7-10-NMIPMA-NIPMA-NMIPMA. На фигурах 28А и С элементы (2805 и 2806) изображают изгибающийся или шарнирный подкомпонент, а элементы (2804 и 2807) изображают жесткие подкомпоненты. На Фигуре 28А ( 2800 ) изображена открытая конформация для этого варианта реализации. На Фигуре 28C ( 2802 ) изображена близкая конформация для этого варианта реализации. На Фигуре 28B ( 2801 ) изображена конформационная бистабильность, демонстрируемая этим вариантом реализации. На фигуре 28D ( 2803 ) показаны спонтанные колебания, демонстрируемые этим вариантом реализации при 320 К. Этот химерный вариант осуществления обладает конформационным переходом выше 300 К. Ниже критической температуры он существует как «открытая», растянутая структура со средним расстоянием между концами. около 4 нм, а выше критической температуры складывается пополам в «закрытую» конформацию с межконцовым расстоянием в среднем около 1 нм. Вблизи критической температуры композиция 10-7-10-NMIPMA-NIPMA-NMIPMA демонстрирует спонтанные переходы между открытым и закрытым состояниями, тем самым воспроизводимо изменяя взаимную ориентацию жестких фрагментов NMIPMAm в ответ на внешние стимулы. Над этим вариантом была проведена серия вычислительных экспериментов. Полный пакет атомной молекулярной динамики GROMACS использовался для атомистического моделирования олигомеров NMIPMA-NIPMA-NMIPMA в водном растворе при температурах в диапазоне от 290К до 360К. Силовое поле OPLS-AA в сочетании с явной моделью воды TIP3P используются для описания меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Конформация цепи характеризуется радиусом вращения и расстоянием между концами олигомера.
[86] В некоторых типичных вариантах реализации два соединенных олигомерных модуля обладают конформационной бистабильностью с контролируемыми конформационными изменениями. Молекулярный и/или олигомерный компонент машины содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец. Первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля с образованием олигомерной цепи, а второй конец первого олигомерного модуля отсоединен от второго конца вторых олигомерных модулей. Первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль выбираются и соединяются так, что пара соединенных олигомерных модулей обладает конформационной бистабильностью. Относительная ориентация первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля самопроизвольно меняется с первой ориентации на вторую ориентацию выше критической температуры. Относительная ориентация первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля неоднократно меняется от первой ориентации ко второй ориентации в ответ на энергию, приложенную к соединенным олигомерным модулям. Олигомерный модуль может иметь длину от 0,5 до 20 нм. Относительная ориентация первого и второго олигомерных модулей может определять конформацию, и могут существовать две такие стабильные или метастабильные конформации. Переход между первой конформацией и второй конформацией может включать относительное движение первого и второго олигомерных модулей. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 5 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 10 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 15 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 20 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 25 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать по меньшей мере 30 повторяющихся единиц. Олигомерный модуль может содержать поли-N-изопропилакриламид. Олигомерный модуль может содержать поли-N-изопропилметакриламид. Олигомерный и/или молекулярный компонент машины может быть сконфигурирован так, чтобы иметь точку конформационного перехода в пределах от 250 К до 400 К. Олигомерный и/или молекулярный компонент машины может быть сконфигурирован так, чтобы иметь точку конформационного перехода в пределах от 275 К до 375 К. К. Олигомерный и/или молекулярный компонент машины может быть сконфигурирован так, чтобы иметь точку конформационного перехода в пределах от 300 К до 350 К. Олигомерный модуль может содержать мономерное звено одного типа. Олигомерный модуль может содержать остатки NIPam.
[87] В некоторых примерных вариантах реализации олигомерные машины могут включать поли(N-изопропилакриламид). Синтетический олигомер для бистабильной олигомерной машины может содержать фрагмент поли(N-изопропилакриламида) (PNIPAm) по меньшей мере из 15 повторяющихся звеньев. PNIPAm-олигомер может быть стереорегулярным или стереонерегулярным. PNIPAm-олигомер может содержать изотактические, синдиотактические и/или атактические участки. Олигомер PNIPAm может быть таким, что по меньшей мере одна треть части олигомера PNIPAm не изгибается более чем на 50% по длине по меньшей мере одной трети части. PNIPAm-олигомер может обладать конформационной бистабильностью с воспроизводимым изменением взаимного смещения концов фрагмента олигомера выше критической температуры. PNIPAm-олигомер может проявлять термически активируемый стохастический резонанс с воспроизводимым изменением взаимного смещения концов фрагментов олигомера выше критической температуры. PNIPAm-олигомер может представлять собой блок-соолигомер. Блок-соолигомер может состоять из определенных частей, каждая из которых находится в изотактической, синдиотактической или атактической форме. Соолигомер PNIPAm может быть выбран таким образом, чтобы каждый блок композиции соолигомера PNIPAm не изгибался более чем на 50% по длине блока. Олигомер может содержать 20 единиц NIPAM. Олигомер может содержать 25 единиц NIPam. Олигомер может содержать 30 единиц NIPam.
[88] В некоторых примерных вариантах реализации олигомерные машины могут включать поли(N-изопропилметакриламид). Синтетический олигомер для олигомерной машины может содержать фрагмент поли(N-изопропилметакриламида) (PNIPMAm) по меньшей мере из 15 повторяющихся звеньев. PNIPMAm-олигомер может быть стереорегулярным или стереонерегулярным. PNIPMAm-олигомер может содержать изотактические, синдиотактические и/или атактические участки. Олигомер PNIPMAm может быть таким, что по меньшей мере одна треть части олигомера PNIPMAm не изгибается более чем на 50% по длине по меньшей мере одной трети части. PNIPMAm-олигомер может обладать конформационной бистабильностью с воспроизводимым изменением взаимного смещения концов фрагментов олигомера выше критической температуры. PNIPMAm-олигомер может проявлять термически активируемый стохастический резонанс с воспроизводимым изменением взаимного смещения концов фрагментов олигомера выше критической температуры. PNIPMAm-олигомер может представлять собой блок-соолигомер. Блок-соолигомер может состоять из определенных частей, каждая из которых находится в изотактической, синдиотактической или атактической форме. Соолигомер PNIPMAm может быть выбран таким образом, чтобы каждый блок композиции соолигомера PNIPMAm не изгибался более чем на 50% по длине блока. Соолигомер PNIPMAm может обладать конформационной бистабильностью с воспроизводимым изменением взаимного расположения блоков выше критической температуры. Олигомер может содержать 20 единиц NIPMAm. Олигомер может содержать 25 единиц NIPMAm. Олигомер может содержать 30 единиц NIPMAm.
[89] Некоторые примерные варианты реализации могут включать химерные бистабильные олигомерные машины. Синтетический олигомер для молекулярной и/или олигомерной машины может содержать фрагмент поли(N-изопропилакриламида) (PNIPAm) по меньшей мере из 5 повторяющихся звеньев в стереорегулярной или стереонерегулярной форме и по меньшей мере одну другую олигомерную фракцию, другую чем PNIPam длиной по меньшей мере 0,5 нм и/или персистентной длиной по меньшей мере 0,5 нм. По меньшей мере одна часть PNIPAm может быть такой, что она не изгибается более чем на 50% по длине по меньшей мере одной части олигомера PNIPAm и не изгибается более чем на 50% по длине по меньшей мере одной трети часть. Фрагмент олигомера может проявлять стохастический резонанс с воспроизводимым изменением пространственного расположения концов фрагмента выше критической температуры. Олигомерная композиция может включать три олигомерных модуля с двумя краевыми NMIPAm-модулями по 10 мономеров каждый, которые соединены местом изгиба, состоящим из 7 мономеров NIPMAm изотактической конфигурации. Химерная композиция может обеспечить значительную настройку структуры и функций молекулярной и/или олигомерной машины, таких как, например, длина, жесткость и/или химическая функционализация. Олигомерная композиция может содержать три модуля с двумя краевыми NMIPAm-модулями по 8 мономеров каждый, которые соединены местом изгиба из 5 NIPMAm-мономеров изотактической конфигурации.
[90] Дополнительные примерные варианты реализации могут включать олигомерные машины, сконфигурированные для создания механической силы. Молекулярная и/или олигомерная машина может содержать синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи, по меньшей мере, с одним местом изгиба или шарнира в положении совместного соединения между первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, при этом изгиб или шарнирное расположение допускают относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем, по меньшей мере, один элемент поршневого типа; и подложку, выполненную с поршневым элементом и олигомерной цепью так, что второй олигомерный модуль олигомерной цепи способен механически приводить в действие поршневой элемент. Поршневой элемент может представлять собой любую подходящую жесткую молекулярную и/или наноразмерную структуру, такую как, например, графеновая нанотрубка, нанопроволока и/или фрагмент ДНК. Машина для бистабильного олигомера может генерировать механическую силу путем передачи движений машины для бистабильного олигомера циклическому движению элемента поршневого типа.
[91] Другой неограничивающий примерный вариант осуществления может включать бистабильные олигомерные машины для электромеханических наноустройств. Молекулярная и/или олигомерная машина может содержать синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи, по меньшей мере, с одним местом изгиба или шарнира в положении совместного соединения между первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем; по меньшей мере один элемент, генерирующий электрический ток, и подложку, выполненную с элементом, генерирующим электрический ток, и олигомерной цепью так, что второй олигомерный модуль олигомерной цепи способен механически приводить в действие элементы, генерирующие электрический ток. Олигомерная цепь может быть сформирована таким образом, что в ответ на приложенное к ней заданное количество энергии происходит относительное движение между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что механическое воздействие второго олигомерного модуля на электрический генерирующий элемент производить электрическое напряжение и/или ток. Электрогенерирующий элемент может представлять собой пьезоэлектрический элемент, емкостной элемент, наночастицу, нанопроволоку, нанотрубку и/или нанослой. Молекулярная и/или олигомерная машина может быть сконфигурирована для генерации напряжения путем выполнения механического воздействия на пьезоэлектрический элемент. Молекулярная и/или олигомерная машина может быть сконфигурирована для генерации тока путем выполнения механического движения, изменяющего емкость конденсаторного элемента.
[92] Другие примерные варианты реализации могут включать бистабильные олигомерные машины для сбора энергии. Молекулярная и/или олигомерная машина может содержать синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи, по меньшей мере, с одним местом изгиба или шарнира в положении совместного соединения между первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем; по меньшей мере один светопоглощающий элемент, прикрепленный к олигомерной цепи в месте изгиба или шарнира, по меньшей мере один электрогенерирующий элемент и подложку, выполненную с электрогенерирующим элементом и олигомерной цепью таким образом, что вторые олигомерные модули олигомерной цепи обеспечить механическое воздействие на электрогенераторные элементы. Олигомерная цепь может быть сформирована таким образом, что в ответ на приложенное к ней заданное количество энергии происходит относительное движение между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что механическое воздействие второго олигомерного модуля на электрический генерирующий элемент производить электрическое напряжение и/или ток. Электрогенерирующий элемент может представлять собой пьезоэлектрический элемент, емкостной элемент, наночастицу, нанопроволоку, нанотрубку и/или нанослой. Молекулярная и/или олигомерная машина может быть сконфигурирована для генерации напряжения путем выполнения механического воздействия на пьезоэлектрический элемент. Молекулярная и/или олигомерная машина может быть сконфигурирована для генерации тока смещения путем выполнения механического движения, изменяющего емкость емкостного элемента. Светопоглощающий элемент может представлять собой краситель, соединение, содержащее ароматические группы, соединение, содержащее сопряжение, и/или полупроводниковый элемент.
Дополнительные варианты реализации теплоаккумулирующих ячеек, содержащих бистабильные олигомерные машины, способы их изготовления и применения
[93] В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина представляет собой олигомерную структуру нанометрового размера, в которой динамика в долговременном масштабе определяется несколькими, обычно одной, коллективными степенями свободы, динамически отличающимися от всех более быстрых степеней свободы структуры. Наноразмерные агрегаты олигомерной машины движутся по этим степеням свободы гораздо медленнее, чем колебания атомного скелета. Благодаря такой динамической специфичности олигомерная машина ведет себя как низкоразмерная динамическая система, реализующая наномасштабное механическое движение.
[94] В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина использует тепло окружающей среды в качестве источника энергии для выполнения механической работы. Такая бистабильная олигомерная машина может функционировать как тепловая машина нанометрового размера. Термодинамика тепловых двигателей нанометрового размера может отличаться от классической термодинамики макроскопических тепловых двигателей. Классическая термодинамика может быть неприменима к системам размером менее 100 нанометров. Классическая термодинамика игнорирует флуктуации термодинамических величин, поскольку значение флуктуаций исчезает, когда система становится макроскопической. Следовательно, классическая термодинамика оперирует усредненными величинами, утверждая, что тепловая машина может совершать механическую работу только в том случае, если через устройство проходит тепловой поток от горячего резервуара к холодному. Классическая термодинамика, однако, не рассматривает превращение тепловой энергии колебаний окружающей среды в механическую работу. Тепловые двигатели наноразмера могут работать по принципу стохастической термодинамики, которая учитывает флуктуации термодинамических величин, и эти флуктуации могут внести существенный вклад в термодинамику небольшой системы. В отличие от классической термодинамики, стохастическая термодинамика может позволить преобразовать тепловые флуктуации в механическую работу. Не все колебания окружающей среды необходимо усреднять в течение рабочего цикла. Колебания, связанные с быстрыми степенями свободы машины, можно усреднить; однако крупномасштабные колебания, связанные с медленными функциональными степенями свободы машины, не должны усредняться в течение рабочего цикла. Эти колебания могут действовать на машину как редкие «пинки».
[95] В некоторых вариантах временные характеристики спонтанных колебаний и стохастического резонанса бистабильной олигомерной машины удовлетворяют ограничениям на длительность рабочих циклов преобразования тепловых колебаний в механическую работу.
[96] В некоторых вариантах реализации теплоаккумулирующие элементы преобразуют тепловую энергию окружающей среды в электрическую энергию. В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина демонстрирует спонтанные вибрации и/или стохастический резонанс и преобразует тепловые колебания окружающей среды в механическую работу.
[97] В некоторых вариантах осуществления теплоаккумулирующие ячейки содержат бистабильную олигомерную машину. В некоторых вариантах реализации бистабильную олигомерную машину выбирают из PNIPA-олигомеров, PNIPMA-олигомеров и их комбинаций.
[98] В некоторых вариантах осуществления теплоаккумулирующая ячейка не содержит колеблющегося двумерного материала, функционально связанного с электромеханическим преобразователем. В некоторых вариантах осуществления теплоаккумулирующая ячейка не содержит колеблющегося графенового листа, функционально связанного с электромеханическим преобразователем. В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина имеет одномерную архитектуру. В некоторых вариантах осуществления теплоаккумулирующая ячейка находится при температуре и давлении окружающей среды.
[99] В некоторых вариантах реализации спонтанные вибрации бистабильной олигомерной машины можно включать и/или выключать посредством внешнего управления, такого как температура и/или силовая нагрузка. Частоту спонтанных колебаний бистабильной олигомерной машины можно изменять с помощью внешнего управления, такого как температура и/или силовая нагрузка. Величина смещений бистабильной олигомерной машины может определяться структурой и/или составом бистабильной олигомерной машины. В некоторых вариантах реализации величина смещений бистабильной олигомерной машины может контролироваться внешним параметром.
[100] В некоторых вариантах реализации бистабильная молекулярная машина настроена на проявление спонтанных колебаний при комнатной температуре (около 300 К). В некоторых вариантах реализации бистабильная молекулярная машина настроена на вибрацию с частотой 100 МГц при комнатной температуре. В некоторых вариантах реализации одна бистабильная олигомерная машина размером в несколько нанометров имеет рабочий цикл длительностью 10 нс (частота 100 МГц), а полезная работа, совершаемая за один рабочий цикл, достигает 10 -19 Дж.
[101] В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс. В некоторых вариантах реализации множество бистабильных олигомерных машин синхронно демонстрируют стохастический резонанс. В некоторых вариантах осуществления чип, аккумулирующий тепло, содержит множество бистабильных олигомерных машин, синхронно проявляющих стохастический резонанс. Чип, аккумулирующий тепло, может преобразовывать коллективную механическую работу, производимую множеством бистабильных олигомерных машин, в другие виды энергии, например электрическую энергию.
[102] Фиг. 29 изображена дуга Эйлера, функционально связанная с электромеханическим преобразователем. Вибрации дуги Эйлера передаются поршневому элементу, поэтому поршневой элемент движется циклически (2901). Поршневой элемент может быть сконфигурирован таким образом, чтобы он выдавал мощность во время рабочих циклов (2902). В некоторых вариантах реализации бистабильная олигомерная машина выполнена с возможностью вибрации между двумя состояниями при термическом соединении с термической ванной (2903).
[103] На фиг.. 30А изображена примерная бистабильная олигомерная машина (3031), термически соединенная с термической ванной (3021) и функционально соединенная с имитацией демпфера (3011). Изображенная типовая бистабильная олигомерная машина представляет собой PNIPMA-30s.
[104] На фиг. 30B изображен стохастический резонанс примерной бистабильной олигомерной машины, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитированным демпфером. График 3002 изображает сквозное расстояние как функцию времени. В данном случае типовой бистабильной олигомерной машиной является PNIPMA-30s.
[105] На фиг. 30C изображена энергия, извлекаемая из термической ванны примерной бистабильной олигомерной машиной, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитацией демпфера. График 3003 отображает выполненную работу как функцию времени. Здесь образцовой бистабильной олигомерной машиной является PNIPMA-30 в режиме стохастического резонанса.
[106] На фиг. 30D изображена энергия, вводимая в термическую ванну во время извлечения энергии из термической ванны примерной бистабильной олигомерной машиной, термически соединенной с термической ванной и функционально связанной с имитированным демпфером. График 3004 отображает вводимую энергию как функцию времени. Здесь образцовой бистабильной олигомерной машиной является PNIPMA-30 в режиме стохастического резонанса.
[107] На фиг. 31 изображен пример ячейки для сбора тепла. Ячейка 3100 сбора тепла содержит тепловую ячейку (3103) с бистабильной олигомерной машиной (3104), термически связанной с тепловой ячейкой и функционально связанной с механо-электрическим преобразователем, содержащим пластины конденсатора (3101), при этом по меньшей мере одна из пластин конденсатора представляет собой передвижной (3102). Здесь типовой бистабильной олигомерной машиной является PNIPMA-30s. В некоторых вариантах реализации теплоаккумулирующие элементы содержат и/или состоят из бистабильной олигомерной машины, функционально соединенной с электромеханическим преобразователем. Электрическая часть электромеханического преобразователя может находиться вне термоячейки. Бистабильная олигомерная машина может проявлять спонтанные вибрации и/или стохастический резонанс. Бистабильная олигомерная машина может быть функционально связана с механо-электрическим преобразователем, так что вибрации бистабильной олигомерной машины приводят в движение механическую часть механо-электрического преобразователя. Термические колебания окружающей среды могут вызывать вибрации бистабильной олигомерной машины. Механическая часть электромеханического преобразователя может действовать как конденсатор переменной емкости, одна пластина которого перемещается относительно другой под действием сил, приложенных бистабильной олигомерной машиной. Бистабильная олигомерная машина может преобразовывать тепловую энергию в механическую работу, приложенную к конденсатору, а движения пластин конденсатора могут генерировать электрический ток во внешней цепи, расположенной за пределами тепловой ячейки.
Дополнительные неограничивающие примерные варианты реализации включают в себя:
[108] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и при этом олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс в растворе при температуре, когда температура находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс в растворе, когда температура не находится в критическом температурном диапазоне.
[109] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и при этом олигомерная машина демонстрирует спонтанные вибрации в растворе при температуре, когда температура находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не проявляет спонтанных колебаний в растворе, когда температура не находится в критическом температурном диапазоне.
[110] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; при этом олигомерная машина демонстрирует спонтанные колебания в растворе при температуре, когда температура находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует спонтанные вибрации в растворе, когда температура не находится в критическом температурном диапазоне; при этом спонтанные колебания имеют нерегулярную частоту.
[111] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; при этом олигомерная машина демонстрирует спонтанные колебания в растворе при температуре, когда температура находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует спонтанные вибрации в растворе, когда температура не находится в критическом температурном диапазоне; при этом спонтанные колебания имеют нерегулярную частоту; и при этом при приложении к олигомерной машине колебательной силы, имеющей силовую нагрузку в критическом диапазоне сил и частоту силы, когда температура находится в критическом диапазоне, олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс, имеющий частоту, по существу такую же, как и колебательная машина. частота силы.
[112] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и при этом олигомерная машина демонстрирует спонтанные вибрации в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в критическом диапазоне сил, в то время как температура не находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует спонтанных вибраций в растворе, когда силовая нагрузка и температура не находятся в критических диапазонах.
[113] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и при этом олигомерная машина демонстрирует стохастический резонанс в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в критическом диапазоне сил, в то время как температура не находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не демонстрирует стохастический резонанс в растворе, когда силовая нагрузка и температура не находятся в критических диапазонах.
[114] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина дополнительно содержит по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте соединения первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем. олигомерный модуль.
[115] В некоторых вариантах реализации первый и/или второй олигомерный модуль содержит необязательно замещенные остатки акриламида, необязательно замещенные остатки (мет)акриламида, необязательно замещенные остатки (мет)акриловой кислоты, необязательно замещенные азиридиновые остатки, необязательно замещенные эпоксидные остатки, алкоксизамещенные этановые остатки, или их комбинации.
[116] В некоторых вариантах реализации первый и/или второй олигомерный модуль содержит по меньшей мере один из остатков N-этилакриламида, остатков 2-(изопропилкарбамоил)акриловой кислоты, остатков 1-(азиридин-1-ил)-2-метилпропан-1-она, метоксиэтеновые остатки и 2-метилоксирановые остатки.
[117] В некоторых вариантах реализации первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля через линкерную единицу, имеющую длину персистентности, которая меньше, чем длина персистентности как первого, так и второго олигомерных модулей.
[118] В некоторых вариантах реализации каждый из первого и второго олигомерных модулей содержит от 10 до 30 повторяющихся единиц.
[119] В некоторых вариантах реализации каждый из первого и второго олигомерных модулей содержит от 10 до 30 стереорегулярных повторяющихся единиц.
[120] В некоторых вариантах реализации каждый из первого и второго олигомерных модулей имеет персистентную длину от 0,5 нм до 20 нм.
[121] В некоторых вариантах реализации раствор представляет собой водный раствор.
[122] В некоторых вариантах осуществления критический температурный диапазон находится в пределах температурного диапазона от -25°C до 100°C.
[123] В некоторых вариантах осуществления критический температурный диапазон находится в диапазоне температур от 25°C до 45°C.
[124] В некоторых вариантах осуществления диапазон критической силы находится в диапазоне сил, определяемом от 10 пН (пиконьютон) до 1000 пН.
[125] В некоторых вариантах осуществления диапазон критической силы находится в диапазоне сил от 250 пН (пиконьютон) до 350 пН.
[126] В некоторых вариантах осуществления диапазон критической силы находится в диапазоне сил, определяемом от 375 пН (пиконьютон) до 400 пН.
[127] В некоторых вариантах реализации олигомерный компонент машины, сконфигурированный для проявления конформационной бистабильности, содержит первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец; при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и при этом относительная ориентация первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля изменяется с первой ориентации на вторую ориентацию в ответ на приложенный стимул.
[128] В некоторых вариантах реализации олигомерный компонент машины неоднократно колеблется между первой ориентацией и второй ориентацией в ответ на приложенный стимул.
[129] В некоторых вариантах реализации приложенный стимул представляет собой первый стимул, и относительная ориентация первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля изменяется со второй ориентации на первую ориентацию при применении дополнительного стимула и/или прекращении действия первого стимула.
[130] В некоторых вариантах реализации приложенный стимул представляет собой любое одно или несколько изменений температуры, заданной температуры, электрического поля, магнитного поля, изменения pH, приложенной силы по меньшей мере 10 пикоНьютонов, заданного количества энергии, и/или изменение ионной силы.
[131] В некоторых вариантах реализации олигомерный компонент машины дополнительно содержит по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте совместного соединения первого и второго олигомерных модулей.
[132] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере одно место изгиба или шарнира содержит третий олигомерный модуль, имеющий гибкость, существенно превышающую гибкость каждого из первого и второго олигомерных модулей.
[133] В некоторых вариантах реализации приложенный стимул заставляет третий олигомерный модуль изгибаться, в то время как первый и второй олигомерные модули остаются практически несгибаемыми.
[134] В некоторых вариантах реализации олигомерный компонент машины дополнительно содержит по меньшей мере один наполнитель, изготовленный из материала, отличного от первого и второго олигомерных модулей и имеющего меньшую гибкость, чем гибкость олигомерных модулей.
[135] В некоторых вариантах реализации каждый олигомерный сегмент имеет длину от 0,5 нм до 15 нм.
[136] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один олигомерный модуль содержит по меньшей мере 15 повторяющихся звеньев стереорегулярного или стереонерегулярного поли(N-изопропилакриламида).
[137] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один олигомерный модуль содержит по меньшей мере 15 повторяющихся звеньев стереорегулярного или стереонерегулярного поли(N-изопропилметакриламида).
[138] В некоторых вариантах реализации первый олигомерный модуль содержит по меньшей мере 5 повторяющихся звеньев поли(N-изопропилакриламида) в стереорегулярной или стереонерегулярной форме, второй олигомерный модуль не содержит поли(N-изопропилакриламид) и имеет стойкость длина по меньшей мере 0,5 нм, и по меньшей мере одна треть части первого олигомерного модуля не изгибается более чем на 50% по длине по меньшей мере одной трети части.
[139] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один из первого или второго олигомерных модулей содержит изотактический блок.
[140] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один из первого или второго олигомерных модулей содержит атактический блок.
[141] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один из первого или второго олигомерных модулей содержит синдиотактический блок.
[142] В некоторых вариантах реализации первый и второй олигомерные модули выбираются и соединяются таким образом, что олигомерный компонент машины имеет конфигурацию, обеспечивающую температуру конформационного перехода в пределах от 250 К до 400 К.
[143] В некоторых вариантах реализации первый и второй олигомерные модули содержат общую мономерную единицу.
[144] В некоторых вариантах реализации олигомерный компонент машины дополнительно содержит жесткую молекулярную структуру, такую как нанотрубка или ДНК.
[145] В некоторых вариантах реализации соединенные первый и второй олигомерные модули содержат изотактический блок поли(N-изопропилакриламида) и атактический блок поли(N-изопропилакриламида).
[146] В некоторых вариантах реализации соединенные первый и второй олигомерные модули содержат блок поли(N-изопропилметакриламида) между двумя блоками поли(2-изопропил-N-метилакриламида).
[147] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи; по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте соединения первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем; по меньшей мере один электрогенерирующий элемент; подложку, выполненную относительно по меньшей мере одного электрогенерирующего элемента и олигомерной цепи так, что относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем приводит к механическому взаимодействию между по меньшей мере вторым олигомерным модулем олигомерной цепи и по меньшей мере один электрогенерирующий элемент; и при этом олигомерная цепь формируется таким образом, что в ответ на стимул происходит относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что вызывает механическое взаимодействие между вторым олигомерным модулем и элементом, генерирующим электрический ток, и при этом механическое взаимодействие вызывает изменение электрического напряжения и/или электрического тока, связанного по меньшей мере с одним электрогенерирующим элементом.
[148] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина дополнительно содержит по меньшей мере один светопоглощающий элемент, прикрепленный к олигомерной цепи по меньшей мере в одном месте изгиба или шарнира, где олигомерная цепь со светопоглощающим элементом формируется таким образом, что в ответ на заданное количество световая энергия прикладывается к светопоглощающему элементу, при этом между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем возникает относительный изгиб таким образом, что вызывает механическое взаимодействие между вторым олигомерным модулем и по меньшей мере одним электрогенерирующим элементом, вызывающее изменение электрического тока. напряжение и/или электрический ток, связанный с по меньшей мере одним электрогенерирующим элементом.
[149] В некоторых вариантах осуществления элемент, генерирующий электричество, включает в себя по меньшей мере один из пьезоэлектрического элемента, наночастицы, нанопроволоки, нанотрубки или нанослоя.
[150] В некоторых вариантах реализации олигомерная машина содержит синтетический материал, включающий первый олигомерный модуль и второй олигомерный модуль, соединенные с первым олигомерным модулем с образованием олигомерной цепи; по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте соединения первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля, причем место изгиба или шарнира обеспечивает относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем; по меньшей мере один поршневой элемент; подложку, выполненную относительно по меньшей мере одного поршневого элемента и олигомерной цепи так, что относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем приводит к механическому взаимодействию между по меньшей мере вторым олигомерным модулем олигомерной цепи и по меньшей мере одним поршневой элемент; и при этом олигомерная цепь формируется таким образом, что в ответ на приложенное к ней заданное количество энергии происходит относительный изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что вызывает механическое взаимодействие между вторым олигомерным модулем и поршневым элементом. , и при этом механическое взаимодействие создает механическую силу.
[151] В некоторых вариантах реализации поршневой элемент представляет собой по меньшей мере одно из графеновой нанотрубки, графенового нанослоя, нанопроволоки или фрагмента ДНК.
[152] В некоторых вариантах реализации олигомерная цепь содержит блок поли(N-изопропилметакриламида) между двумя блоками поли(2-изопропил-N-метилакриламида).
[153] Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые здесь, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в данной области. В случае противоречий преимущественную силу имеет настоящий документ, включая определения. Здесь описаны предпочтительные способы и материалы, хотя способы и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным здесь, могут использоваться на практике или при тестировании вариантов реализации настоящего изобретения. Материалы, способы и примеры, раскрытые здесь, являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения. Термины «содержит(ют)», «включает(ют)», «имеет», «имеет», «может», «содержит(ют)» и их варианты, используемые в настоящем документе, предназначены для открытого переходные фразы, термины или слова, которые не исключают возможности дополнительных действий или структур. Формы единственного числа «a», «an» и «the» включают ссылки на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Настоящее раскрытие также предполагает другие варианты реализации, «содержащие», «состоящие из» и «по существу состоящие из» вариантов реализации или элементов, представленных здесь, независимо от того, изложены они явно или нет. Соединительный термин «или» может включать любые и все комбинации одного или нескольких перечисленных элементов, связанных с соединительным термином. Например, фраза «устройство, содержащее a или b» может относиться к устройству, включающему a, где b может отсутствовать, устройству, включающему b, где a может отсутствовать, или устройству, в котором присутствуют и a, и b. Фразы «хотя бы один из a, b, …, и n» или «по крайней мере один из a, b, …, n или их комбинации» определены в самом широком смысле и обозначают один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей a, b, … и n, то есть любая комбинация одного или нескольких элементов a, b, …, или n, включая любой один элемент отдельно или в комбинации с одним или несколькими другими элементами, которые также могут включать в комбинации дополнительные элементы, не перечисленные в списке. Термины «первый», «второй», «третий» и т.п., используемые здесь, не обозначают какой-либо порядок, количество или важность, а скорее используются для того, чтобы отличить один элемент от другого. Термин «по существу», используемый в настоящем документе, представляет собой присущую степень неопределенности, которая может быть приписана любому количественному сравнению, значению, измерению или другому представлению. Термин «по существу» также может использоваться здесь для обозначения степени, в которой количественное представление может отличаться от заявленной ссылки, не приводя к изменению основной функции рассматриваемого предмета изобретения. Термин «по меньшей мере одно место изгиба или одно шарнирное место» относится по меньшей мере к одному положению совместного соединения по меньшей мере двух олигомерных модулей, которое позволяет по меньшей мере двум олигомерным модулям предсказуемо изгибаться относительно друг друга вокруг изгиба или шарнира. расположение.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ВАКЦИНА ПРОТИВ ИНТЕРМЕДИАТА С АМИЛОИДНЫМ СВОРАЧИВАНИЕМ | 2009 |
|
RU2546234C2 |
| ЭПИТОП, СПЕЦИФИЧНЫЙ К ОЛИГОМЕРУ АМИЛОИДА БЕТА, И АНТИТЕЛА | 2011 |
|
RU2644335C2 |
| СПОСОБ СЕКВЕНИРОВАНИЯ ДНК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2013 |
|
RU2539038C1 |
| МНОГОУРОВНЕВОЕ СТОХАСТИЧЕСКОЕ ПСЕВДОСМЕШЕНИЕ С ПОДАВЛЕНИЕМ ШУМА ПУТЕМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ОСРЕДНЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШАБЛОНОВ | 2009 |
|
RU2511574C2 |
| ПЕПТИДЫ, СПОСОБНЫЕ РЕАКТИВИРОВАТЬ МУТАНТЫ Р53 | 2014 |
|
RU2693487C2 |
| ОБНАРУЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРАЗЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПОМОЩЬЮ НАНОТРУБКИ | 2015 |
|
RU2721965C2 |
| СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ УЧАСТКОВ СВЯЗЫВАНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ | 2020 |
|
RU2743316C1 |
| ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО МАЛОГО ДИАМЕТРА | 2014 |
|
RU2656277C2 |
| ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПЛЕКСА HCV-АНТИГЕН/АНТИТЕЛО | 2001 |
|
RU2274863C2 |
| НОВАЯ РАСТВОРИМАЯ И СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ ТРИМЕРНАЯ ФОРМА ПОЛИПЕПТИДОВ GP41 | 2004 |
|
RU2390525C2 |
Заявляются олигомерные машины для сбора энергии, имеющие первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец. Данные олигомерные машины сконфигурированы так, чтобы проявлять стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации, и сконфигурированы так, что в ответ на определенное количество приложенной к ним энергии происходит относительное движение между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что вызывает механическое воздействие второго олигомерного модуля на электрогенерирующем элементе для выработки электрического напряжения и/или тока. Также раскрыты элементы сбора энергии, имеющие тепловую ячейку, электромеханический преобразователь по меньшей мере с двумя обкладками конденсатора и по меньшей мере одну олигомерную машину. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 43 ил.
1. Олигомерная машина для сбора энергии, содержащая:
первый олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец,
второй олигомерный модуль, имеющий первый конец и второй конец, и
при этом первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля; и
при этом олигомерная машина сконфигурирована таким образом, что в ответ на определенное количество приложенной к ней энергии происходит относительное движение между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем таким образом, что механическое воздействие второго олигомерного модуля на электрический генерирующий элемент вырабатывает электрическое напряжение и/или ток;
при этом олигомерная машина имеет стохастический резонанс и/или спонтанные колебания в растворе при температуре, когда она находится в критическом температурном диапазоне, и олигомерная машина не имеет стохастический резонанс и/или спонтанные колебания в растворе, когда температура не находится в критическом температурном диапазоне; и
при этом олигомерная машина имеет стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в растворе под действием силовой нагрузки, приложенной к олигомерной машине, когда силовая нагрузка находится в критическом диапазоне сил, и олигомерная машина не имеет стохастический резонанс и/или спонтанные вибрации в решение, когда силовая нагрузка не находится в критическом диапазоне сил.
2. Олигомерная машина по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере одно место изгиба или шарнира в месте совместного соединения первого олигомерного модуля и второго олигомерного модуля, при этом место изгиба или шарнира обеспечивает изгиб между первым олигомерным модулем и вторым олигомерным модулем.
3. Олигомерная машина по п.1, в которой первый и/или второй олигомерный модуль содержит необязательно замещенные остатки акриламида, необязательно замещенные (мет)акриламидные остатки, необязательно замещенные остатки (мет)акриловой кислоты, необязательно замещенные азиридиновые остатки, необязательно замещенные эпоксидные остатки, алкоксизамещенные этановые остатки или их комбинации.
4. Олигомерная машина по п.1, в которой первый и/или второй олигомерный модуль содержит по меньшей мере один из остатков N-этилакриламида, остатков 2-(изопропилкарбамоил)акриловой кислоты, 1-(азиридин-1-ил)-2- остатки метилпропан-1-она, остатки метоксиэтена и остатки 2-метилоксирана .
5. Олигомерная машина по п.1, в которой первый конец первого олигомерного модуля соединен с первым концом второго олигомерного модуля посредством линкерного звена, имеющего длину персистентности, которая меньше длины персистенции как первого, так и второго олигомерных модулей.
6. Олигомерная машина по п.1, в которой первый и второй олигомерные модули содержит от 10 до 30 повторяющихся единиц каждый.
7. Олигомерная машина по п.1, в которой первый и второй олигомерные модули содержит от 10 до 30 стереорегулярных повторяющихся единиц каждый.
8. Олигомерная машина по п.1, в которой первый и второй олигомерные модули имеют длину послесвечения от 0,5 до 20 нм каждый.
9. Олигомерная машина по п.1, в которой раствор представляет собой водный раствор.
10. Олигомерная машина по п.1, в которой критический диапазон температур находится в диапазоне температур от -25 до 100°C.
11. Олигомерная машина по п.1, в которой диапазон критических усилий находится в пределах диапазона усилий от 10 до 1000 пН.
12. Олигомерная машина по п.1, в которой электрогенерирующий элемент выбран из пьезоэлектрического элемента, наночастицы, нанопроволоки, нанослоя и механо-электрического преобразователя.
13. Олигомерная машина по п.1, в которой олигомерная машина выполнена с возможностью генерации напряжения путем выполнения механического воздействия на механо-электрический преобразователь, содержащий по меньшей мере две обкладки конденсатора.
14. Ячейка сбора энергии, содержащая:
тепловую ячейку,
механо-электрический преобразователь, содержащий по меньшей мере две обкладки конденсатора, и
по меньшей мере одну олигомерную машину по п.1;
в которой:
по меньшей мере одна из пластин конденсатора является подвижной, и
по меньшей мере одна олигомерная машина термически соединена с тепловой ячейкой и функционально связана с механо-электрическим преобразователем так, что вибрации бистабильной олигомерной машины перемещают механическую часть механо-электрического преобразователя.
| WO 2018106998 A1, 14.06.2018 | |||
| АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ | 2010 |
|
RU2516080C2 |
| Врубовая машина для проведения врубов в штреках | 1933 |
|
SU34485A1 |
