Цивилизация
Российские химики из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН создали молекулярную машину, две части которой могут свободно вращаться относительно друг друга, а при изменении кислотности среды это вращение тормозится. Это происходит из-за образования связей между частями ансамбля, причем их образование и разрыв контролируемы и обратимы. Контроль и управление движением таких машин могут быть использованы при разработке оптоэлектронных материалов, работающих по принципу преобразования энергии движения в оптический сигнал. Исследование опубликовано в New Journal of Chemistry и поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов, полученным молодым химиком Иваном Мешковым. Работа является частью исследований, проводимых совместно с лабораторией профессором М. В. Хоссейни (университет Страсбурга, Франция).
Молекулярные машины — это молекулярные системы, составные части которых совершают управляемое механическое движение, при этом этими частями могут выступать как отдельные молекулы, так и какие-либо их части. За разработку и создание первых искусственных молекулярных машин была присуждена Нобелевская премия по химии 2016 года. Многочисленные молекулярные машины встречаются и в живой природе, в частности несколько белков в основании жгутика некоторых бактерий похожи на электродвигатель. Именно благодаря таким белкам жгутик приходит в движение, позволяя клетке перемещаться в среде.
В новой работе ученые исследуют молекулярные машины на основе порфиринов — макроциклических молекул, образованных четырьмя пиррольными циклами. Такие молекулы широко распространены в живой природе: они входят в состав хлорофилла, гемоглобина, витамина B12 и многих ферментов. Использованная в этой работе молекула представляет собой димер, то есть состоит из двух частей — порфириновых колец. Они соединены диацетиленовым мостиком, что позволяет двум половинам молекулы свободно вращаться вокруг его оси. Введение в систему специальных «молекул-блокировщиков» затормаживает это вращение. Варьируя кислотность среды, химикам удалось добиться контроля над этим процессом: в основной среде движению ничего не мешает, а в кислотной вращение останавливается.
«Почему интересно управлять такой молекулярной машиной именно изменением кислотности среды? — комментирует одна из авторов работы Юлия Горбунова. — Во-первых, это принцип живой природы, так как в природе никто не добавляет новые вещества, идет регулируемый кислотно-основной баланс. Обратимое образование водородных связей может запускать тот или иной процесс в организме, поэтому возможность создания молекулярных машин и переключателей на основе водородных связей очень привлекательна».
Порфирины ярко окрашены, поэтому любые происходящие с ними изменения удобно контролировать методами электронной спектроскопии поглощения. В данном случае этот подход чувствителен к ориентации порфириновых макроколец в ансамбле, что позволяет выяснить их взаимное расположение, то есть узнать, находится молекула в заторможенном состоянии или нет.
«Изменение оптических свойств — это основа создания умных материалов с настраиваемыми свойствами, — продолжает Горбунова. — Меняя кислотность среды, можно настраивать оптические свойства или, например, заставить соединение флуоресцировать (светиться) или тушить флуоресценцию».
Молекулярные машины как область исследований появились около 30 лет назад и пока не достигли уровня широкомасштабных применений, но первые попытки уже делаются.
«То, что сделано на порфиринах, — это демонстрация принципов дизайна и управления подобными системами, — подытоживает Горбунова. — Так как отклик у нас оптический, то это, безусловно, может быть использовано при разработке материалов. Изменение оптических свойств важно для целого ряда применений, например, разработки материалов для новых оптоэлектронных устройств».
