Когда заряд перемещается внутри одной молекулы (это называют внутримолекулярным переносом), донорные и акцепторные группы обмениваются электронами, и вещество меняет цвет, смещаясь в красную часть спектра.

Такое свойство используют в производстве красителей и органических светодиодов.

А если электроны перескакивают между разными молекулами (межмолекулярный перенос), это уже основа для солнечных батарей и полупроводников.

Ученые давно пытались создать гибридную систему, где работали бы оба механизма, но сложность в том, что молекулы должны быть идеально подогнаны друг к другу и при этом оставаться стабильными.

Возможное решение — пиразинацены, ароматические молекулы с кольцевой структурой. Они могут служить мостом между донором и акцептором, облегчая перенос заряда.

Более того, из-за дефицита электронов внутри своего кольца они сами способствуют внутримолекулярному переносу. Теоретически это может создать гибридную систему, но на практике ее никто не проверял.

И вот группа ученых из Университета Шибаура (Япония) представила новую систему на основе производного пиразинацена. В ней трифениламин (сильный донор) соединен с цианогруппами (акцепторами) через пиразинаценовое ядро. Когда этот состав кристаллизовали с нафталином в соотношении 1:1, кристаллы резко поменяли цвет — с сине-зеленого на красно-фиолетовый.

Результаты опубликованы в издании Chemistry – A European Journal.

Интересно, что реакция сработала только с чистым нафталином. Его производные, например, октафторнафталин, не дали кристаллов — из-за электронного отталкивания. Термогравиметрия и рентгеновская дифракция подтвердили, что система избирательна именно к нафталину. Расчеты показали, что сдвиг цвета вызван межмолекулярным переносом заряда, который временно подавляет внутримолекулярный.

Наша молекула устроена так, что два типа переноса конкурируют друг с другом, — объясняет Казуши Накада, аспирант и первый автор исследования.

Это позволяет использовать ее как сенсор: даже следовые количества нафталина в воде дают четкий цветовой сигнал.

Кристаллическая структура показала, что распознавание нафталина происходит за счет π-дырочных взаимодействий. Атомы водорода нафталина тянутся к азоту пиразинацена, но настоящей водородной связи не образуется — только слабые ван-дер-ваальсовы силы. Благодаря этому процесс обратим: если нагреть фиолетовые кристаллы до 180°C, нафталин улетучится, и цвет вернется к исходному.

Мы заложили основу для кристаллов, которые меняют цвет обратимо и без пористой структуры, — говорит профессор Акико Хори.

Это открывает путь к новым сенсорам и материалам для молекулярного распознавания.

Этот подход может привести к:

• Ультрачувствительным сенсорам — например, для детекции токсинов в воде.
• «Умным» материалам — кристаллам, меняющим цвет при контакте с определенными веществами.
• Новым органическим полупроводникам — где контроль над переносом заряда критически важен.

Пока система работает только с нафталином. Для практического применения нужно расширить спектр распознаваемых молекул — например, научиться детектировать пестициды или тяжелые металлы.

Ранее ученые нашли способ передавать свет через 2d-кристаллы.