То, что считается важным достижением в области химии - международная команда ученых разработала новую технологию, которая может избирательно перестраивать атомные связи внутри одной молекулы. Прорыв обеспечивает беспрецедентный уровень контроля над химическими связями внутри этих структур и может открыть некоторые захватывающие возможности в том, что известно как молекулярная техника.
Молекулы состоят из кластеров атомов и являются продуктом природы и расположения этих атомов внутри. Если молекулы кислорода, которым мы дышим, состоят из одного и того же повторяющегося типа атома, то молекулы сахара состоят из углерода, кислорода и водорода.
В течение некоторого времени ученые занимались чем-то, что называется «селективной химией», с целью формирования именно того типа химических связей между атомами, который им нужен. Это может привести к созданию сложных молекул и устройств, которые могут быть разработаны для конкретных задач.
Эти так называемые молекулярные машины были в центре внимания Нобелевской премии по химии 2016 года, а голландский ученый Бен Феринга (Ben Feringa) получил признание за создание молекулярного автомобиля, приводимого в движение молекулярными двигателями, вращающимися со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду. Мы также видели, как ученые создают молекулярные насосы, крошечные зубчатые колеса и молекулярные подводные лодки для воздействия на раковые клетки, и это лишь несколько примеров.
Сборка этих типов крошечных машин — деликатная работа, которую авторы нового исследования сравнивают с «помещением блоков Lego в стиральную машину и надеждой, что квинтиллионы молекул каким-то образом соберутся в желаемый продукт». Их новая работа направлена на то, чтобы меньше полагаться на удачу и больше на целенаправленный контроль над химическими связями.
Исследование сфокусировано на молекулах, известных как структурные изомеры, которые имеют одинаковый атомный состав, но разное расположение связей между этими атомами. Используя наконечник сканирующего зондового микроскопа для подачи различных импульсов напряжения, команда показала, что они могут избирательно перестраивать химические связи. Молекула с 10-членным углеродным кольцом в середине могла превратиться, например, в молекулу с четырех- и восьмичленным кольцом или в молекулу с двумя шестичленными кольцами в центре.
Эти реакции также были обратимы, а это означало, что команда могла разрывать и образовывать различные связи по своему желанию и, по сути, контролируемым образом переключаться между молекулярными структурами. Эта форма «селективной химии» описывается командой как беспрецедентная.
«Это впервые», — объяснил научный сотрудник IBM Research и старший автор исследования Лео Гросс (Leo Gross). «Это первый случай селективного образования различных связей в одной молекуле. По величине импульса напряжения, приложенного к молекуле в центре, мы можем выбрать, хотим ли мы создать молекулу справа или слева (см. ниже)».
Изображение молекул с разным расположением атомов, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии. Фото: IBM Research.
Молекулярная техника еще только зарождается, но технология, позволяющая более точно контролировать эти типы структур, может значительно помочь ее развитию.
«Возможные задачи, которые будут выполняться молекулярными машинами, могут включать транспортировку молекул или наночастиц, изготовление и манипулирование наноструктурами, а также облегчение химических превращений», — сказал Гросс. «Будущие приложения могут быть связаны с одноэлектронными молекулярными устройствами, наноэлектромеханическими системами, химическим синтезом и доставкой лекарств».
Исследование опубликовано в журнале Science.
Источник: IBM Research.
