Имитация природных процессов в химии полимеров
Имитировать невероятные навыки природы непросто, особенно когда пытаются повторить удивительные химические процессы, происходящие в живых организмах. Живые системы, такие как клетки, могут осуществлять химические реакции в очень малых пространствах, иногда с участием отдельных молекул. В течение многих лет исследователи пытались воспроизвести это для производства специализированных химических соединений, но с ограниченным успехом.
Новое слово в контроле химических реакций
Однако новое исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, подчёркивает разработку нового инструмента, который помогает контролировать химические реакции. Это может позволить создавать важные полимеры — большие, похожие на цепи молекулы с множеством современных применений — в невероятно малых пространствах с высоким уровнем точности.
Разработка «молекулярной колбы»
Команда, базирующаяся в Институте промышленных наук Токийского университета, разработала «молекулярную колбу» — которая модулирует реактивность реакций, происходящих внутри неё — используя тщательно сконструированную одно полимерную молекулу уникальной формы.
«Предыдущая работа в этой области создавала небольшие молекулярные реакторы на основе различных пористых материалов, — говорит ведущий автор Сянюань Го. — Однако сложно использовать эти процессы для создания определённых полимеров, потому что реакцию полимеризации нелегко контролировать».
Создание полимеров на основе «бутылочных щёток»
Эта новая работа создала полимеры на основе центральных, червеобразных молекул со множеством выступающих боковых цепей, известных как форма «бутылочной щётки». Боковые цепи действуют как своего рода внутренняя буферная зона, которая позволяет некоторым веществам проникать в пространство вокруг тела полимерной молекулы, а другим — нет.
Эта зона может быть размером с одну молекулу и может быть адаптирована для обеспечения достаточного пространства для образования других полимеров. Внутри этих наноразмерных карманов химические вещества могут реагировать с образованием только определённых желаемых продуктов, защищённых от воздействия окружающей среды. По этой причине материалы, которые в противном случае было бы трудно синтезировать, могут быть получены с помощью этой системы.
«Одним из основных преимуществ этого нового процесса является его чрезвычайная универсальность», — объясняет старший автор Синтаро Накагава. — Это было продемонстрировано путём синтеза двух совершенно разных типов полимеров, включая специализированный сопряжённый полимер на основе тиофена, применяемый в оптоэлектронике».
Пространства внутри полимеров-«бутылочных щёток»
Пространства внутри этих тщательно разработанных полимеров-«бутылочных щёток» чрезвычайно малы: порядка десятков нанометров, то есть миллиардных долей метра. Подобно биологическим системам, таким как ферменты, эти колбы молекулярного масштаба обеспечивают экстремальный уровень контроля химических реакций.
Помимо производства специализированных полимеров с множеством различных применений, эта прорывная технология однажды может быть использована для производства наночастиц и других материалов, применяемых в медицине, сенсорных технологиях и других областях.
Предоставлено Токийским университетом.