​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».

Похожие новости

  • 26/03/2018

    Российские ученые создали чернила для печати «батареек» на одежде

    Химики из России создали особую краску из наночастиц, которой можно печатать своеобразные "электрогенераторы" прямо на одежде, вырабатывающие ток при хождении по улице и других действиях человека, передает пресс-служба Российского научного фонда.
    444
  • 05/05/2018

    Российские химики нарушили симметрию ради создания противогрибковых препаратов

     Российские ученые разработали новое соединение, ускоряющее химические реакции, которое можно использовать для синтеза лекарств. Благодаря несимметричной структуре оно позволяет соединять в единую систему две молекулы, точно контролируя их расположение в пространстве.
    367
  • 17/08/2018

    Двухслойная мембрана позволит получить особо чистый кислород

    ​Российские ученые разработали новую двухслойную мембрану для получения особо чистого кислорода из воздуха. Ее можно использовать в микро- и наноэлектронике, фармацевтической промышленности и биотехнологии.
    274
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    297
  • 26/10/2018

    Исследованы свойства новых перспективных неорганических люминофоров

    Химки изучили свойства неорганических соединений, которые могут светиться в инфракрасном диапазоне, — германатов со структурой апатита. Их можно использовать для создания волоконно-оптических систем передачи информации, устройств для дистанционного зондирования атмосферы, а также лазерных радаров с безопасным для глаз излучением.
    255
  • 28/03/2018

    Российские химики раскрыли механизм важнейшей для промышленности реакции

    ​Механизм важнейшей окислительной реакции Байера-Виллигера, известной больше ста лет, раскрыт международной группой ученых. Реакция является универсальным путем получения эфиров органических кислот - базовых соединений для химической промышленности.
    405
  • 15/10/2018

    В Journal of the American Chemical Society опубликована статья с участием сотрудников ИНХ СО РАН

    Сотрудники Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) Павел  Абрамов и Максим Соколов приняли участие в подготовке статьи о включение полиоксометаллатов в циклодекстрины и о новых возможностях их применения в биологии и медицине.
    185
  • 26/04/2018

    Павел Стишенко: ученые едут туда, где есть возможность развиваться и работать

    ​15-миллионный грант на три года получила научная группа ОмГТУ, ученые которой доказали, что при ненулевых температурах молекулы на поверхностях могут создавать  узоры из повторяющихся треугольников, и разработали программу, которая рассчитывает создание различных автоматически собирающихся систем.
    399
  • 18/06/2018

    Сибирские ученые превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу

    Сотрудники Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) разработали новый дешевый способ получить важный для промышленности материал – бактериальную наноцеллюлозу.
    485
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    207