Международная группа ученых разработала технологию, которая позволяет селективно перестраивать атомные связи внутри одной молекулы. Прорыв позволяет достичь беспрецедентного контроля над химическими структурами, и может открыть новые удивительные возможности в области молекулярной механики.

Ученые разработали новый метод контроля атомных связей в пределах одной молекулы. IBM Research

Как известно, молекулы состоят из собственного набора атомов. Количество атомов в молекуле, их тип и механизмы расположения определяют уникальные свойства молекулы. Если молекулы кислорода, которыми мы дышим, содержат один и тот же повторяющийся тип атомов, то молекулы сахара состоят из углерода, кислорода и водорода.

В последнее время ученые активно практикуют так называемую "селективную химию", целью которой является формирование молекул именно с тем типом химических связей, который им необходим. Такой подход позволит в будущем разрабатывать сложные молекулы и механизмы, предназначенные для выполнения специфических задач.

Эти так называемые молекулярные машины были предметом внимания Нобелевской премии по химии 2016 года, которую получил голландский ученый Бен Феринга за создание молекулярного автомобиля, приводимого в движение молекулярными двигателями, вращающимися со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду. Помимо этого, ученые создали молекулярные насосы, крошечные шестеренки и молекулярные подводные лодки для воздействия на раковые клетки, и это лишь некоторые из множества подобных примеров.

Процесс сборки подобных механизмов чрезвычайно тонкая работа, которую авторы нового исследования сравнивают с "помещением блоков конструктора Lego в стиральную машину с надеждой на то, что квинтиллионы молекул каким-то чудесным образом соберутся в желаемый продукт". Их новая работа направлена на то, чтобы меньше полагаться на удачу и больше контролировать химические связи.

В центре исследования находятся структурные изомеры - молекулы, отличающиеся одинаковым составом атомов, но разным расположением связей между ними. С помощью импульсов напряжения, подаваемых на специальное устройство в сканирующем зондовом микроскопе, группа исследователей показала, что может избирательно перестраивать химические связи. Так, например, молекула с 10-членным углеродным кольцом в центре может трансформироваться в молекулу с четырех- и восьмичленным кольцами или в молекулу с двумя шестичленными кольцами в центре.

Более того, такие реакции носили обратимый характер, то есть команда могла разрывать и формировать необходимые связи по своему усмотрению и, по сути, контролируемо переключаться между молекулярными структурами. Команда считает, что такая форма "селективной химии" не имеет мировых аналогов.

"Это первый случай, когда, селективно различные связи могут быть сформированы в одной молекуле", - рассказывает ученый из IBM Research и старший автор эксперимента Лео Гросс. "По величине импульса напряжения, подаваемого на молекулу в центре, мы можем выбирать, какую молекулу мы хотим создать - правую или левую (см. ниже)".

Изображение атомно-силовой микроскопии молекул с различным расположением атомов. IBM Research

Конечно, пока мы еще только начинаем создавать подобные молекулярные устройства, но технологии, позволяющие более тонко контролировать такие механизмы, могут существенно помочь в их разработке.

"К числу потенциальных задач, которые могут выполнять молекулярные машины, относятся транспортировка молекул или наночастиц, изготовление наноструктур и управление ими, а также упрощение химических реакций.", - говорит Гросс. "Будущие приложения могут быть связаны с одноэлектронными молекулярными устройствами, наноэлектромеханическими системами, химическим синтезом и доставкой лекарственных препаратов".

Исследование было опубликовано в журнале Science.

Источники: IBM Research, Science.

1. (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo6471)

2. (https://research.ibm.com/blog/science-coverstory-artificial-molecular-machinesa)