Созданы «умные» молекулы, усиливающие свет под давлением

На изображении показано активное управление процессами фотореакции SF с помощью гидростатического давления в зависимости от используемого растворителя. Автор: Гаку Фукухара/Университет Кюсю

Исследователи из Университета Кюсю разработали класс молекул, чья способность усиливать световую энергию может активно контролироваться простым применением давления. Результаты, опубликованные в журнале Chemical Science, могут открыть новые возможности для создания высокоэффективных устройств преобразования энергии и передовых медицинских терапий.

Исследование сосредоточено на физическом процессе под названием «синлетное деление» (SF). SF — это механизм, при котором молекула, поглощая один высокоэнергетический фотон, разделяет эту энергию, создавая два возбужденных состояния с более низкой энергией вместо одного. По сути, это действует как усилитель энергии, потенциально удваивая выход полезных возбужденных молекул.

Однако создание материалов, надежно выполняющих SF, является сложной задачей, поскольку основные молекулы должны соответствовать строгому энергетическому балансу, что заставляет химиков искать решения за пределами простого модифицирования функциональных молекулярных групп. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи работают над разработкой «умных» молекул, чья функция может активно контролироваться внешними стимулами, такими как температура или механическое давление.

В этом исследовании группа под руководством профессора Гаку Фукухары из Института химии и инженерии материалов Университета Кюсю в сотрудничестве с профессором Таку Хаcобэ из Университета Кейо работала над созданием молекулы, которой можно управлять с помощью гидростатического давления.

Исследователи синтезировали серию SF-активных молекул, состоящих из двух пентаценовых единиц (соединение из 5 сочлененных бензольных колец), соединенных гибкими полярными линкерами — молекулярными цепями, которые действуют как регулируемые мосты между единицами. Затем они изучили, как эти молекулы ведут себя в различных условиях давления и в разных растворителях.

С помощью моделирования и экспериментов они определили, что гибкость линкеров является основным фактором, определяющим SF-свойства молекулы. В отличие от предыдущих, более жестких конструкций, гибкие линкеры привели к явлению, известному как инверсия динамики SF.

В умеренно полярных растворителях, таких как толуол, было обнаружено, что линкеры подвергаются спонтанной сольватации (притягивая молекулы растворителя) под давлением, что подавляло скорость SF-реакции. Однако при переходе к более полярному растворителю, такому как дихлорметан, эффект, вызванный давлением, инвертировался, что приводило к ускорению SF-реакции.

«Эти результаты представляют новую концепцию для управления реакциями в возбужденном состоянии с помощью внешних механических стимулов и закладывают основу для создания чувствительных к давлению фотоактивных материалов», — заявляет Фукухара.

Помимо простого контроля скорости SF-реакции, команда сделала важные открытия относительно результирующих триплетных экситонов, которые являются полезными переносчиками энергии. Они обнаружили, что время жизни этих состояний связано с давлением — эффект, вызванный изменениями вязкости окружающего растворителя. Более того, квантовый выход триплетов, который определяет эффективность производства триплетов, не уменьшался под давлением.

«Результаты, полученные в нашей работе, и предложенные концепции позволят нам создавать активно управляемые SF-материалы на основе установленных нами руководств по молекулярному дизайну. Применение этих принципов может привести к созданию фототерапевтических материалов, функционирующих в биологических средах, или устройств преобразования энергии, чувствительных к давлению», — заключает Фукухара.

Больше информации: Ринтаро Огава и др., Critical molecular design that can actively control intramolecular singlet fission by hydrostatic pressure, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/d5sc04791a

Источник: Университет Кюсю