Если бы химики строили автомобили, они бы заполнили завод автомобильными деталями, подожгли бы его и просеяли из пепла куски, которые теперь отдаленно напоминали автомобиль.
Когда вы имеете дело с автомобильными деталями размером с атом, это вполне разумный процесс. Тем не менее, химики ищут способы уменьшить количество отходов и сделать реакции более точными.
Химическая инженерия сделала шаг вперед: исследователи из Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании, Университета Регенсбурга в Германии и IBM Research Europe заставили одну молекулу пройти серию преобразований с помощью крошечного толчка напряжения.
Обычно химики добиваются точности реакций, настраивая такие параметры, как pH, добавляя или удаляя доступные доноры протонов, чтобы управлять тем, как молекулы могут обмениваться или обмениваться электронами для образования своих связей.
«Однако с помощью этих средств условия реакции изменяются до такой степени, что основные механизмы, регулирующие селективность, часто остаются неуловимыми», — отмечают исследователи в своем отчете, опубликованном в журнале Science.
Другими словами, сложность действующих сил, толкающих и притягивающих большую органическую молекулу, может затруднить точное измерение того, что происходит на каждой связи.
Команда начала с вещества под названием 5,6,11,12-тетрахлортетрацен (с формулой C18H8Cl4) — молекулы на основе углерода, которая выглядит как ряд из четырех сотовых ячеек, окруженных четырьмя атомами хлора, парящими вокруг, как голодные пчелы.
Наклеив тонкий слой материала на холодный, покрытый солью кусок меди, исследователи прогнали хлорных пчел, оставив горстку возбудимых атомов углерода, удерживающих неспаренные электроны в ряде родственных структур.
Два из этих электронов в некоторых структурах счастливо воссоединились друг с другом, реконфигурируя общую сотовую форму молекулы. Вторая пара также стремилась соединиться не только друг с другом, но и с любым другим доступным электроном, который мог жужжать на их пути.
Обычно эта шаткая структура была бы недолговечной, поскольку оставшиеся электроны также женились друг на друге. Но исследователи обнаружили, что эта конкретная система не была обычной.
С легким толчком напряжения от электрошокера размером с атом они показали, что могут заставить одну молекулу соединить эту вторую пару электронов таким образом, что четыре клетки сместятся в сторону так называемого изогнутого алкина.
При встряхивании чуть менее энергично эти электроны образовывали пары по-другому, искажая структуру совершенно по-другому, в то, что известно как циклобутадиеновое кольцо.
Затем каждый продукт возвращался в исходное состояние импульсом электронов, готовым снова перевернуться в любой момент.
Заставляя одну молекулу деформироваться в разные формы или изомеры, используя точные напряжения и токи, исследователи могли получить представление о поведении ее электронов, а также о стабильности и предпочтительных конфигурациях органических соединений.
Отсюда можно было бы сократить поиск катализаторов, которые могли бы подтолкнуть крупномасштабную реакцию бесчисленных молекул в одном направлении, сделав реакцию более специфической.
В предыдущих исследованиях использовались аналогичные методы для визуализации реконфигураций отдельных молекул и даже для управления отдельными этапами химической реакции. Теперь мы разрабатываем новые методы изменения самих связей молекул для образования изомеров, которые обычно было бы не так просто поменять местами.
Подобные исследования не только помогают сделать химию более точной, но и предоставляют инженерам новые острые инструменты для производства машин в наномасштабе, деформируя углеродные каркасы в экзотические формы, которые были бы невозможны с помощью обычной химии.
Это исследование было опубликовано в Science.