​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

  • 26/04/2018

    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.
    198
  • 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.
    193
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    97
  • 20/06/2018

    Ученые объяснили формирование суперземель

    ​Российские ученые проанализировали эволюцию молодых звезд и выяснили, как формируются планеты на ранних стадиях. Это поможет изучать процессы, происходящие при образовании экзопланет, что позволит лучше понять структуру и строение космических тел, находящихся в том числе и в Солнечной системе.
    51
  • 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.
    144
  • 15/06/2018

    Ученые создали новый сверхтвердый материал

    ​Химики из России и Китая предсказали новый сверхтвердый материал, который который можно будет применять в бурении, машиностроении и других областях. Он превосходит по своим свойствам победитовые сплавы, которые применяются в этих областях сегодня.
    110
  • 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.
    230
  • 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.
    78
  • 19/03/2018

    Российские ученые разработали новый способ борьбы с турбулентностью

    ​Необычный способ борьбы с турбулентностью в авиации разработали ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН. Для предотвращения тряски и нырков воздушного судна они предлагают оснащать его крылья "перьями" - сотнями маленьких пластинок, самостоятельно меняющих пространственное положение в зависимости от давления воздуха.
    255
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1239