Световой наномотор скручивает молекулярные нити в цепные структуры

Модель катенана (от латинского «catena» — цепь) — химической структуры, в которой две кольцеобразные молекулы сцеплены, как звенья цепи, без химической связи между ними. Автор: Томми Вахсмут, лаборатория Катана/ГУ

Нити или верёвки легко использовать для плетения, завязывания узлов и ткачества. Однако в химии обработка молекулярных нитей таким образом — почти невозможная задача. Молекулы не только крошечные, но и постоянно находятся в движении, поэтому их нельзя просто «потрогать», удержать или точно сформировать.

Исследовательская группа Института химии Берлинского университета имени Гумбольдта (HU) под руководством доктора Михаэля Катана добилась успеха: с помощью искусственного светового молекулярного мотора учёные смогли точно скрутить две молекулярные нити друг вокруг друга, создав сложную структуру — катенан. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

«Мы создали, по сути, мини-машину, которая приводится в движение светом и вращается в одном направлении», — объясняет Катан. «Этот контролируемый процесс позволяет механически скручивать молекулярные нити и соединять их — независимо от того, сделали бы они это самостоятельно или нет. Наш мотор привносит механический контроль в мир молекул, что раньше было возможно только в макроскопическом мире».

Новый метод позволяет создавать разнообразные трёхмерные структуры

В синтетической химии ранее было крайне сложно целенаправленно переплетать молекулы, особенно если это противоречит естественному процессу их самоорганизации. В природе молекулы постоянно движутся и могут формировать трёхмерные структуры. Например, так собираются белки или молекула ДНК. Однако обычно эти структуры не фиксированы.

Новый метод использует искусственную молекулярную машину, которая может «заставить» самые разные молекулы принимать точно определённые трёхмерные формы. Световой мотор генерирует механически заданный поворот на каждом этапе, который затем химически фиксируется. Движение направленное и программируемое.

«Наш метод — первый подход без шаблонов, который позволяет такое точное механическое управление, и он легко обобщаем», — говорит Катан.

Новые возможности для создания инновационных материалов

Катенаны, синтезированные с помощью нового метода, считаются фундаментальными строительными блоками для механически переплетённых структур, таких как молекулярные цепи, ткани или сети.

Исследование впервые демонстрирует, что такие структуры можно создавать из самых разных молекул, открывая путь к проектированию целых материалов с уникальными свойствами: высокой гибкостью и исключительной прочностью благодаря молекулярной архитектуре.

Дополнительная информация: Томми Вахсмут и др., A molecular machine directs the synthesis of a catenane, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adx5363. www.science.org/doi/10.1126/science.adx5363

Источник: Берлинский университет имени Гумбольдта