Преобразование молекулярных нитей
Нитки легко использовать для плетения, завязывания узлов и ткачества. Однако в химии обработка молекулярных нитей подобным образом представляет собой практически невыполнимую задачу. Это связано с тем, что молекулы не только крошечные, но и постоянно находятся в движении, поэтому их трудно удержать или придать им точную форму.
Исследовательская группа под руководством доктора Майкла Катана из Института химии при Университете Гумбольдта в Берлине (HU) добилась успеха в точном наматывании двух молекулярных нитей друг на друга с помощью искусственного молекулярного мотора, работающего на свету. В результате была создана особенно сложная структура — катенаны (от латинского «catena» = цепь).
Катены состоят из двух кольцеобразных молекул, переплетённых, как звенья цепи, без химической связи друг с другом. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
«То, что мы разработали, — это, по сути, мини-машина, работающая на свету и вращающаяся в одном направлении», — говорит Катан.
«Мы используем это контролируемое движение, чтобы механически наматывать две молекулярные нити друг на друга и соединять их — независимо от того, сделали бы они это самостоятельно или нет. Наш двигатель привносит своего рода механическое управление в мир молекул, который мы ранее знали только на макроскопическом уровне».
Синтетическая химия
В синтетической химии ранее было чрезвычайно сложно целенаправленно переплетать молекулы, особенно если это расположение противоречит естественному процессу молекулярной самоорганизации. В природе молекулы постоянно находятся в движении и могут образовывать трёхмерные структуры.
Структурные компоненты клеток, такие как белки или генетическая молекула ДНК, собираются таким образом. Однако обычно это не фиксированные и не постоянные структуры. В лаборатории для определения конкретных структур часто использовали молекулярные шаблоны, но они обычно работают только с определёнными молекулами.
Новый метод использует иной подход: искусственная молекулярная машина может заставить самые разные молекулы образовывать точно определённые трёхмерные структуры. Под действием света вращающийся двигатель генерирует механически заданный поворот с каждым шагом, который затем химически фиксируется. Движение является направленным и программируемым.
«Наш метод — это первый подход без использования шаблонов, который позволяет осуществлять такой точный механический контроль, и он также легко обобщается», — говорит Катан.
Катены, синтезированные в лаборатории с помощью нового метода, считаются фундаментальными строительными блоками для механически переплетённых структур, таких как молекулярные цепи, ткани или сети.
Исследование впервые показывает, что такие структуры могут быть получены в принципе из самых разных молекул, и таким образом предоставляет фундаментальный и обобщаемый концептуальный подход: сложные, механически определённые архитектуры технически осуществимы на молекулярном уровне. Это расширяет возможности химического синтеза и открывает двери для проектирования целых материалов из механически переплетённых молекул.
Такие материалы будут обладать уникальными свойствами: высокой гибкостью в сочетании с исключительной прочностью благодаря своей молекулярной архитектуре.
Предоставлено Университетом Гумбольдта в Берлине.