Японские химики впервые разрезали и перестроили внутренние связи наноуглеродов, получив молекулы с десятичленными кольцами и двойной спиралью. Новые материалы светятся спиральным светом и могут улавливать CO₂, что открывает путь к сверхэкономичной электронике.
Ранее считалось, что внутренние связи в подобных соединениях, образующие плоские жесткие конфигурации, практически не поддаются изменениям. Однако применение техники, известной как скелетное редактирование, дало возможность разрывать и перестраивать связи внутри стандартных плоских углеродных молекул, например, небольших фрагментов графена.
В результате ученым удалось получить хиральные наноуглероды — молекулы, существующие в зеркально симметричных формах, подобно левой и правой руке. Среди синтезированных структур — соединения, содержащие десятичленные углеродные кольца, а также молекулы с двойной спиральной конфигурацией.
Полученные соединения обладают люминесценцией, причем испускаемый свет имеет спиральную поляризацию. Некоторые из молекул способны удерживать несколько электрических зарядов без потери стабильности. Одно из соединений сохраняет структурную целостность при нагревании до 280 °C. Другое образует пористые кристаллы, которые могут избирательно поглощать и высвобождать углекислый газ, что потенциально может найти применение в разработке материалов для хранения газов.
Скелетное редактирование до настоящего времени преимущественно использовалось в фармацевтическом синтезе. Его применение для создания наноуглеродов позволило решить две задачи, которые ранее считались сложными. Во-первых, ученым удалось встроить десятичленное кольцо в крупные хиральные структуры, что не было достигнуто прежде. Во-вторых, они показали возможность асимметрического синтеза — получения как левых, так и правых форм сложных наноуглеродов.
Как пояснили ученые, традиционно считалось, что изменение внутренней структуры молекулы связано со значительным напряжением связей, поэтому большинство реакций протекают по периферии. Однако при выборе подходящей исходной молекулы и корректной методики возможно изменять внутреннюю конфигурацию и создавать формы, которые ранее были недоступны.
Особый интерес представляет структура с двойной спиралью, которая самоорганизуется в кристаллы с хиральными порами, способными улавливать и выделять углекислый газ. Авторы отмечают, что это первый подобный хиральный пористый материал, который можно рассматривать как родственный металлоорганическим каркасным структурам, отмеченным Нобелевской премией по химии в 2025 году.
Уникальные свойства полученных хиральных молекул могут быть востребованы при создании материалов нового поколения для газового сорбционного оборудования, электроники с пониженным энергопотреблением и систем шифрования.
Читайте также: Одежда из живых грибов сможет самоочищаться и самовосстанавливаться.