Пусть поработают молекулы

Ученые-химики Южного научного центра РАН и НИИ физической и органической химии ЮФУ синтезировали вещества, молекулы которых могут служить бифункциональными молекулярными переключателями (МП). Структурой полученных соединений можно управлять, воздействуя на них как светом, так и катионами металлов в растворах.

МП — что это такое

Если процесс работы молекулярного переключателя представить визуально, то нахождение переключателя обычного прибора в положении «0» будет означать одну структуру молекулы, приобретение под внешним воздействием иного ее варианта будет соответствовать положению «1» переключателя. Это явление в химии называется изомеризацией, и если оба изомера существуют в устойчивых формах, они и могут быть использованы в качестве запуска и остановки определенного процесса, потому они и называются молекулярными переключателями.

Переход молекулы из одной формы в другую может сопровождаться определенным сигналом — изменением цвета, электрической проводимости раствора, магнитных его свойств и так далее. Управляемые молекулы-переключатели могут служить компонентами памяти разных устройств — в том числе и наноэлектронных.

Ростовскими учеными впервые получены соединения, которые можно назвать бифункциональными молекулярными переключателями, так как они изменяют конфигурацию под воздействием двух факторов — как света, так и катионов металлов.

Тернистый путь теории и практики

По словам старшего научного сотрудника ЮНЦ РАН, кандидата химических наук Евгения Шепеленко, работа шла таким образом. Сначала был проведен анализ научных публикаций на эту тему: по данной тематике работают не только в России — тот же Институт органической химии РАН, но и в Китае, Японии, США. Но в работах коллег речь шла о молекулах, строения которых изменялись светом, поскольку они не имели в своем составе групп, которые координируют с металлами. Либо те соединения, которые могли образовывать соединения с металлами, не реагировали на свет, то есть,
были не фотохромами.

Наши химики взяли в работу синтезированные ими соединения ряда ксантена и проверили их на активность взаимодействия с катионами металлов. Методом ядерного магнитного резонанса обнаружено изменение магнитного поля молекул вследствие изменения их строения, что хорошо показали снятые спектры. Эти изомеры обладали также и различной люминисценцией.

Есть теоретические изыскания насчет того, каким должно быть число изменений структуры молекулы с тем, чтобы она перестала быть переключателем, то есть, речь идет об устойчивой и длительной ее работе в ходе изомеризации. Теоретически понятно, какими должны быть такие соединения. Теперь дело — за умелыми руками химиков-синтетиков, которые такие молекулы создадут.

Для наглядного примера Евгений Николаевич рассказывает, как работало полученное ими несколько лет назад другое фотохромное соединение. Его молекулы реагировали на катионы железа, включая их в свой состав: в итоге раствор становился коричневым. Но стоило его облучить светом, как молекула избавлялась от этого катиона, и раствор становился красным. При приостановке облучения катион железа опять входил в состав соединения.

Фотохромные соединения — это вещества, которые способны изменять свой цвет под воздействием света — видимого или ультрафиолетового.

Размер имеет значение

Управляемые светом МП используются для записи и хранения информации в молекулярных электронных устройствах, в фармакологии для диагностики разных заболеваний. Управляемые ионами МП помогают анализировать ионный состав сред, в хемо- и биосенсорике для обнаружения токсичных веществ.

Но на горизонте у нас — молекулярный компьютер, где вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, будут работают молекулы и молекулярные «ансамбли». Часть этого — еще в воображении ученых, так как ее попросту невозможно выполнить: не хватает, к примеру, приборной базы.

Молекулярный компьютер, если мы будем его иметь, предоставит гигантские преимущества по сравнению с тем «железом», которое мы имеем сейчас. Прежде всего, это размеры: его, скорее всего можно будет положить в карман. Несравнима с нынешними компьютерами будет и скорость его работы: магнит переключается за доли секунды, молекула работает значительно быстрее. Словом, это следующий шаг в эволюции вычислительных технологий.

У науки паспорт не спрашивают

Информация о бифункциональных МП ростовских ученых в международные научные журналы хоть с трудом, но пробивается. Так, статья о них опубликована в Journal of Molecular Structure. Это издание согласно рейтингу находится в первых рядах в научном мире.
Тут, конечно, объясняет Евгений Шепеленко, на какого редактора попадешь: но наши химики уже не первый год печатают свои статьи в этом журнале, потому они имеют возможность редактора выбирать. Так вот, редактором статьи о МП из Ростова выступила женщина- профессор из Аргентины, проверял содержание статьи мужчина-профессор из Японии.

Кстати. Если исследователи научатся использовать для сохранения памяти все молекулы в кубике с ребром в 10 см, то объема этой памяти хватит для того, чтобы упаковать туда библиотеку американского конгресса.