Энергия света объединяет молекулы: новое исследование прокладывает путь к созданию сложных молекулярных структур

В Университете Болоньи команда под руководством профессора Альберто Креди смогла интегрировать молекулу нитевидной формы в полость кольцевой молекулы, применяя светозависимые реакции и процессы самосборки. Это стало возможным благодаря уникальной геометрии с высоким уровнем энергии, которая недостижима в условиях термодинамической стабильности. Иными словами, свет позволяет создать молекулярные соединения, которые в обычных условиях были бы неосуществимы.

«Мы продемонстрировали, что с помощью световой энергии можно вмешаться в процесс молекулярной самосборки в водном растворе, избегая достижения минимального термодинамического состояния. В итоге создаётся продукт, нехарактерный для равновесных условий. Такое поведение наиболее часто наблюдается в живых организмах, но малоизученно в искусственных молекулах из-за сложности его планирования и анализа. Наш метод отличается простотой и универсальностью, а также использует свет, который представляет собой чистый и возобновляемый источник энергии. Это позволяет предположить возможные достижения в различных областях технологий и медицины», — объясняет Альберто Креди.


Энергия света объединяет молекулы: новое исследование прокладывает путь к созданию сложных молекулярных структур
Источник: DALL-E

Самосборка молекул для создания систем и материалов с нанометровыми структурами является одним из ключевых процессов в нанотехнологиях. Она основывается на стремлении молекул достичь состояния минимальной энергии в термодинамическом равновесии.

Однако химические изменения в организмах происходят за счёт процессов, не находящихся в равновесии и требующих внешнего поступления энергии.

Создание аналогичных механизмов в искуственных системах— это сложная и амбициозная задача, способная привести к созданию новых материалов, чувствительных к внешним раздражителям и способных к взаимодействию с внешней средой, например, для разработки «умных» лекарств или функциональных материалов.

Используемые компоненты включают циклодекстрины, водорастворимые молекулы с конической формой, и производные азобензола, которые изменяют форму под воздействием света. В водной среде это взаимодействие приводит к формированию супрамолекулярных комплексов, где нитевидная молекула азобензола проникает в полость циклодекстрина.

В данном исследовании нитевидная молекула имеет два различных конца, а так как и у циклодекстринов также есть разная структура с двух сторон, то внедрение таких молекул приводит к появлению двух различных комплексов, отличающихся ориентацией элементов.


Световая энергия собирает молекулы: новое исследование открывает путь для создания сложных молекулярных структур
Схематическая диаграмма самосборки комплексов циклодекстрин-азобензол в темноте и под действием света. Круги рядом со структурами комплексов представляют относительное содержание каждого комплекса в темноте (чёрный, равновесное распределение) и при облучении видимым светом с длиной волны 453 нм (жёлтый). Источник: University of Bologna

Комплекс А более стабильный сравнительно с комплексом Б, но формирование Б происходит значительно быстрее. Без света наблюдается исключительно термодинамически предпочтительный комплекс, то есть А.

Под действием видимого света азобензол меняет свою форму с подходящей для циклодекстрина на несоответствующую, ведя к диссоциации комплекса. Впрочем, этот же свет может вернуть азобензол в исходную форму, тем самым позволяя сбор компонентов заново.

Поскольку комплекс Б формируется значительно быстрее, чем А, при постоянном облучении устанавливается стационарное состояние, где комплекс Б преобладает. Как только свет выключается, азобензол медленно возвращается в прежнюю форму, и вскоре снова наблюдается только комплекс А.

С помощью этого механизма самосборки, обусловленного фотохимическими реакциями, можно применять световую энергию для накопления неустойчивых продуктов, открывая тем самым новые подходы к химическому синтезу и созданию динамических молекулярных материалов и устройств (например, наномоторов), работающих при условиях, не соответствующих равновесию, как это происходит в живой природе.

 

Источник: iXBT

Читайте также