Повідомлення про помилку

Warning: ini_set() [function.ini-set]: A session is active. You cannot change the session module's ini settings at this time in drupal_environment_initialize() (line 692 of /home/visnyk-nanu/www/includes/bootstrap.inc).

Вісник НАН України. 2017. № 1. С. 84-90
https://doi.org/10.15407/visn2017.01.082

КАЛЬЧЕНКО Віталій Іванович
член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор, директор Інституту органічної хімії НАН України

РОДІК Роман Васильович –
кандидат хімічних наук, завідувач лабораторії медико-біологічних досліджень Інституту органічної хімії НАН України

CУПРАМОЛЕКУЛЯРНІ НАНОМАШИНИ ТА СМАРТ-МАТЕРІАЛИ

У статті висвітлено досягнення українських учених у створенні супрамолекулярних машин та супрамолекулярних матеріалів для різних видів застосувань. Подальший розвиток цього наукового напряму у світі обіцяє прориви у техніці та медицині, особливо з огляду на те, що Нобелівську премію з хімії в 2016 р. було присуджено «за дизайн і синтез молекулярних машин» – окремих молекул та їх ансамблів, які можуть здійснювати спрямовані рухи.

Ключові слова: молекулярні машини, супрамолекулярна хімія,  краун-етери,  каліксарени.

Синтетичні молекулярні машини – це молекули або їх ансамблі, в яких одна частина здатна контрольовано рухатися відносно іншої, як правило з використанням зовнішньої енергії, наприклад світла чи тепла. Синтез молекулярних машин – це інженерія на молекулярному рівні. У природі за принципами молекулярних машин функціонують міозин, кінезини, рибосоми, але до цього рівня молекулярної інженерії людині ще далеко. Створені нобелівськими лауреатами з хімії за 2016 р. Жан-П’єром Соважем (Jean-Pierre Sauvage), Фрейзером Стоддартом (J. Fraser Stoddart) та Бернардом Л. Ферінгою (Bernard L. Feringa) молекулярні машини є суто продуктом людської думки від початку і до кінця, без спроб наслідувати природу. Для розроблення таких машин Жан-П’єр Соваж, Фрейзер Стоддарт і Бен Ферінга використали різні принципи.

Жан-П’єр Соваж у 1983 р. розробив ефективний спосіб синтезу катенанів – механічно зчеплених кільцевих молекул, які можуть вільно обертатися одна відносно одної. Для цього він застосував фундаментальний підхід, оснований на супрамолекулярній передорганізації макроциклічного субстрату з реагентом через утворення міжмолекулярних водневих зв’язків, координацію з катіонами металів або кулонівські взаємодії. Такі нековалентні взаємодії знижують енергію реакції замикання циклу на фінальній стадії утворення катенану. Ці дослідження привели до конструювання молекулярних вимикачів, дія яких ґрунтується на русі різних компонентів один відносно одного.

Наступний крок у хімічному конструюванні молекулярних машин зробив Фрейзер Стоддарт. Він синтезував ротаксани – молекули, які у своєму складі мають кільце, яке може рухатися вздовж лінійної основи. Гантелеподібна основа має об’ємні стопери на кінцях, що перешкоджають кільцю з’їжджати з неї. Такі молекули найбільш схожі на рахівницю – механічний обчислювальний пристрій для арифметичних розрахунків. Ф. Стоддарту вдалося в буквальному сенсі насадити кільце на вісь. І знову рушійними силами у процесі синтезу були супрамолекулярні передорганізації, зумовлені водневими зв’язками, координацією з металом, електростатичними та гідрофобними взаємодіями.

У подальших дослідженнях Ф. Стоддарту вдалося створити «молекулярний ліфт», що являв собою три механічно зчеплені кільця ротаксанів, здатних підніматися і опускатися на відстань 0,7 нм. Він також отримав «молекулярні м’язи». Спільно з Ж.-П. Соважем Ф. Стоддарт синтезував різні молекулярні топологічні структури, такі як соломонів вузол, трилисник (рис. 1), штучну рибосому, здатну синтезувати короткі білки. Крім того, було створено «молекулярні перемикачі» і чип пам’яті, який дозволяв зберігати до 20 Кб інформації з розподіленням у кілька сотень ротаксанів на біт і щільністю запису 12,5 Гб/см2.

Підхід Б. Ферінги до молекулярних машин був принципово іншим, але не менш елегантним. У його молекулярному моторі частини, що обертаються одна відносно одної, зчеплені не механічно, а справжнім ковалентним подвійним вуглець-вуглецевим зв’язком. Обертання фрагментів молекули навколо цього подвійного зв’язку відбувається під дією УФ-опромінення, яке на частки секунди розриває подвійний зв’язок, перетворюючи його на одинарний. Після цього частини молекули обертаються одна відносно одної завдяки просторовим відштовхуванням об’ємних груп. Утворена молекула з відновленим подвійним зв’язком провертається при цьому на невеликий кут. Дію ультрафіолету повторюють і знову відбувається обертання частин молекули, яке йде шляхом найменшого спротиву з намаганнями зайняти положення (конформацію) з найменшою енергією. Внаслідок таких опромінень молекула механічно переміщується, причому рухається лише в один бік.

Повний текст (PDF)