http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=76c4eb72-4683-4120-bb44-bb54e7dc1361&print=1© 2024 Российская академия наук
Сегодня нас уже не так удивляют устройства электроники, работающие на молекулярных переключателях. Знаменитый физик Ричард Фейнман предполагал, что однажды ученые научатся управлять даже отдельными атомами. В 2012 году был даже создан фильм «Мальчик и его атом», состоящий из 242 кадров, в которых присутствуют более 10 тысяч атомов. Однако, даже учитывая существование подобного фильма и других перспектив работы с атомами, устройства молекулярные, да и молекулы вообще, все еще остаются предметом сильнейшего интереса современных ученых со всего мира. Что же такое молекулярные машины?
Молекулярные переключатели – молекулы, которые могут существовать в двух или более устойчивых формах, между которыми возможны переходы при внешнем воздействии. Причем важно отметить, что эти переходы – обратимые. Это немаловажное свойство при создании оптимальных молекулярных машин. Сами по себе молекулярные машины – это отдельная молекула или иногда комплекс молекул, которые имеют возможность двигаться и выполнять различную полезную работу. Это движение считается квазимеханическим, машины как бы имитируют те процессы, которые происходят в природе и в отдельно взятом организме. Даже сама формулировка возможностей молекулярных машин внушает мнение о том, что это настоящий прорыв в науке.
Какая же энергия может заставить молекулярную машину работать? Это и химическая энергия, и изменение факторов полярной среды, изменение кислотной среды, введение катионов и анионов металлов и многие другие способы внешнего воздействия. Но самыми перспективными на сегодняшний день являются электрохимическое и фотохимическое управление этими элементами – хотя бы потому, что свет сегодня – один из самых дешевых и простых в использовании источников энергии, которые мы, в то же время, можем с успехом регулировать.
Чтобы молекулярная машина была оптимальна, нужно, чтобы ее движение было обратимо, нужно научиться контролировать ее саму и направленность ее движения. Химики-синтетики черпают свои идеи в том, что создает природа, а природа предоставляет нам примеры уникальных молекулярных машин, которые работают с самого момента появления жизни на Земле. Пример – наши глаза. Есть такое вещество – ретиналь, которое ответственно за то, что и как мы видим, как работает наше зрение. Здесь происходит некая изомеризация молекул, благодаря чему под воздействием света мы можем видеть. Для того, чтобы мы могли видеть не однажды, а постоянно, такой процесс должен быть обратимым. Именно под воздействием света возможна подобная трансформация, и именно по этой причине мы ничего не видим в темноте. По принципу такой же изомеризации работает большинство фотохромных переключателей.
Другими примерами эффективно работающих биологических молекулярных машин, которые в качестве примера может предоставить нам природа, являются наши мышцы, АТФ-синтаза, являющейся основным источником энергии в нашем организме. Это и шагающий белок кинезин, который переносит различные «грузы» из клетки в клетку. Все эти молекулы механически осуществляют свои действия за счет очень слабых нековалентных взаимодействий: это и водородные связи, и донорно-акцепторные взаимодействия. В качестве примера можно привести «спираль нашей жизни» – спираль ДНК, которая как раз устроена за счет слабых водородных связей. Множественность этих связей позволяет ей выполнять все свои функции.
За многие годы своих исследований химики научились из мономолекулярных соединений получать огромные кластеры молекул методами самосборки. Этот принцип ученые также позаимствовали у природы. В 2016 году им удалось получить капсулу из 144 элементов, которая по своей структуре напоминает структуру вируса.
Сегодня в молекулярном дизайне исследуют два основных класса соединений, с которых и начались синтетические молекулярные машины. Это так называемые «катенаны» - переплетенные между собой кольца, исследованием которых прославился знаменитый французский химик, нобелевский лауреат Жан-Пьер Соваж. И «ротаксаны» - в этом случае молекула напоминает небольшую гантельку, на которую надето кольцо, способное перемещаться в разные стороны по оси. Уже в 50-ых годах прошлого столетия ученые мира начали интересоваться подобными соединениями, искали различные способы их получения. В основном исследователи пользовались методом статистического синтеза, что было не очень удачно, т.к. в таком случае выход желаемых продуктов составлял даже меньше 1 процента.
Поэтому, на первых порах перспектив в развитии этого направления особо не было, и создание приборов с такими молекулами оставалось на уровне гипотезы. Но молекулярное направление получило свое второе дыхание в тот момент, когда химикам пришла в голову очень простая идея – взять два фрагмента такой системы и «склеить» их. В качестве клея выступили катионы металлов, обладающих отличным свойством очень жестко закреплять между собой фрагменты этой молекулы. И затем, зациклировав такую молекулу, можно было получить либо катенаны, либо ротаксаны – в зависимости от исследования. В этом случае выход реакции составлял 70-80%, что намного более перспективно и успешно в сравнении с предыдущим способом.
На этом принципе, уже более широко исследованном группой Жан-Пьера Соважа и его иностранными коллегами, в том числе российскими, были построены различные молекулярные устройства. Это, например, первые молекулярные роторы, способные вращаться за счет приложенной к ним энергии; это и молекулярный шаттл, аналогом которого стал вышеупомянутый шагающий белок кинезин.
В рамках сотрудничества наших ученых с Францией был разработан дизайн нового типа молекулярных машин – молекулярного турникета. Для его создания была необходима молекула с жесткой платформой, где можно разместить четыре станции с функциональными устройствами. В качестве платформы выбрали парфирит, на котором как раз будет удобно разместить четыре необходимые станции, повесив функциональные заместители. Сюда же привешивается специальная ручка. Перед учеными стояла важная задача – научиться помещать в эту систему фосфор, найти условия, при которых ручка самостоятельно пришивалась бы к платформе, а с помощью протонов и катионов серебра можно было бы открывать и закрывать систему. На создание такой сложной системы ученым потребовалось всего три с половиной года, и, конечно, это настоящий научный прорыв.
Еще одним интересным проектом в этой сфере стала российско-французская молекула. У нобелевской группы Жана-Пьера Соважа и его российских коллег возникла идея – синтезировать общую молекулу. Французы всю жизнь занимались изучением фенантролина, а наши ученые отлично справляются с синтезом порфирина. Специалисты в этих областях планировали сконструировать шестеротоксан, в котором молекулы двигаются по специальным рейсам, как раз по принципу Жана-Пьера Соважа. Но, в процессе конструирования, химики поняли, что их задача гораздо более интересна, чем предполагалось. Даже синтезируя молекулу с одним лепестком, который, как оказалось, имеет способность очень хорошо загибаться, можно создавать переключатели или делать классические ротаксаны, а также делать комплексы управления спиновыми плотностями.
У этой тематики много различных перспектив. Ученым важно научиться точно моделировать молекулу, правильно ее синтезировать. Сегодня важно внедрять накопленный за долгие годы опыт для разработки различных типов информационных систем, самозалечивающихся материалов, развивать процесс активного катализа, создавать молекулярных роботов, упрощать возможность введения лекарств в нужные нам клетки под воздействием волны определенной длины, которую можно регулировать – и все это с помощью молекулярных машин! Как отметил на заседании академик Сергей Алдошин, молекулярная электроника уже совсем скоро придет на смену кремниевой. За этим направлением – множество открытий и прорывов в мировой науке.