Свет — повелитель молекул: ученые совершили прорыв в химии

Ученые из Болонского университета под руководством профессора Альберто Креди в ходе эксперимента использовали свет, чтобы вставить одну молекулу в другую. Обычно такое сделать нельзя, но с помощью света это стало возможным.

Мы обнаружили, что если направить свет на водный раствор, то можно помешать образованию минимального количества продуктов в химической реакции. Обычно при такой реакции образуется одно и то же конечное количество веществ, но с помощью света мы можем получить другие результаты, — говорит Альберто Креди.

Такое поведение молекул лежит в основе многих процессов в живых организмах. Но в искусственных молекулах его сложно предсказать или увидеть. Наш метод прост и универсален, а солнечный свет — чистый и экологичный источник энергии. Это может привести к развитию новых технологий в разных областях, включая технику и медицину.

Результаты опубликованы в издании Chem.

Самосборка молекул — это процесс, который позволяет создавать системы и материалы с очень маленькими размерами, измеряемыми в нанометрах. Наноттехнологии используют этот процесс.

В результате молекулы собираются вместе, чтобы достичь состояния наименьшей энергии и стабильности. Но живые организмы работают по-другому: они используют химические реакции, которые происходят далеко от этого стабильного состояния и требуют постоянной подпитки энергией.

Если мы сможем воспроизвести такие механизмы в искусственных системах, то создадим новые вещества, способные реагировать на окружающую среду и взаимодействовать с ней. Это может быть полезно, например, для разработки «умных» лекарств, которые будут сами находить больные места в организме и лечить их.

Есть такие молекулы, которые называются циклодекстрины. Они похожи на полые усеченные конусы и растворяются в воде.

Есть еще другие молекулы — азобензол. Под воздействием света они меняют свою форму.

Когда эти два типа молекул соединяются в воде, они образуют особые структуры, называемые супрамолекулярными комплексами. В этих структурах молекулы азобензола вставляются в полость циклодекстрина.

Особенность этих соединений в том, что у них есть два разных конца. Так же, как и у ободов циклодекстринов. Когда один конец молекулы азобензола встраивается в другой циклодекстрин, образуются два разных комплекса. Отличаются они тем, как именно компоненты расположены относительно друг друга.

Есть два вида соединений, которые по-разному взаимодействуют друг с другом. Одно из них более стабильно, но другое образуется быстрее.

В обычных условиях мы видим только то соединение, которое более стабильно. Но если посветить на раствор видимым светом, то одно из веществ изменит свою форму и соединение распадется. Свет может вернуть веществу изначальную форму, и тогда компоненты могут снова соединиться.

Поскольку второе соединение образуется быстрее первого, при постоянном освещении мы будем видеть в основном именно его. После выключения света вещество начнет постепенно возвращаться к своей первоначальной форме, и через некоторое время мы увидим только первое соединение.

Механизм самосборки в сочетании с фотохимической реакцией позволяет использовать энергию света для создания нестабильных продуктов. Это может привести к новым способам химического синтеза и созданию материалов и устройств, которые работают в неравновесных условиях, как живые организмы. Например, можно создать крошечные двигатели — наномоторы.

Ранее физики создали молекулу с рекордным дипольным моментом.

28.12.2024