Ученые создали люминесцентный супрамолекулярный комплекс для сенсоров
Супрамолекулярную систему толан@α-циклодекстрин с люминофорными свойствами, которая может быть использована для создания сенсорных материалов, синтезировали ученые НИЦ «Курчатовский институт» и МФТИ, 5 сентября сообщает журнал МФТИ «За науку».
Супрамолекулярная система представляет собой комплекс молекул, которые связаны между собой нековалентными взаимодействиями (водородными связями, электростатическими и/или гидрофобными взаимодействиями) и действуют как единое целое (большая молекулярная структура).
Доцент кафедры физики супрамолекулярных систем и нанофотоники МФТИ кандидат химических наук Наталья Лобова пояснила:
«Если приводить в пример природу, то супрамолекулярными системами будут являться белковые комплексы в организме человека. Этот механизм задействован в ферментативном катализе и т. д. Такие системы могут выполнять функцию или являться молекулярным устройством».
Практическим применением таких комплексов может быть их использование для создания новых сенсорных систем и материалов, а также органических светодиодов, фотовольтаических батарей и молекулярных переключателей.
«Одним из интереснейших компонентов супрамолекулярных систем являются кавитанды (от англ. „cavity“ — полость) — молекулы, обладающие внутренней полостью: циклодекстрины, кукурбитурилы“, — рассказала Наталья Лобова.
Поскольку циклодекстрины и кукурбитурилы имеют различные свойства, то выбор того или иного кавитанда в сочетании с выбором его «гостя» дает возможность выполнять тонкую настройку свойств получаемой супрамолекулярной системы, то есть получать системы с заранее прогнозируемыми свойствами — люминесцентными, фотохимическими.
Комплекс, в котором «гость» находится внутри полости кавитанда, называется «инклюзионным» или «комплексом включения», а взаимное расположение молекул в комплексе «гость-хозяин» обозначают значком @.
Толан (дифенилацетилен) — люминофор, т. е. способен излучать свет определенной длины волны при воздействии на него излучением другой длины волны, в этой супрамолекулярной системе он является «гостем». «Хозяин» — α-циклодекстрин.
Несмотря на то, что циклодекстрины уже порядка 50 лет активно применяются в пищевой и косметической промышленности, супрамолекулярные люминесцентные системы кавитандов с органическими «гостями» исследованы сравнительно мало.
Ученые НИЦ «Курчатовский институт» и МФТИ исследовали систему толан@α-циклодекстрин — комплекс включения, образующийся за счет гидрофобных взаимодействий органического «гостя» с полостью кавитанда.
Большим преимуществом супрамолекулярных систем, образованных за счет множества слабых нековалентных связей и упорядочивания системы, является их подвижность. То есть для разделения комплекса на части не требуется много энергии.
«Однако, есть и свои сложности. Чтобы сделать материал из супрамолекулярных систем, нужно выбрать носитель — что-то, создающее объем или поверхность. Развитая поверхность (гидрогель) может являться конкурентом для связывания молекул в комплекс включения. Если сродство гостя к поверхности будет больше, чем к полости — супрамолекулярный комплекс развалится», — отметила Наталья Лобова.
Для решения возникающих при синтезе супрамолекулярной системы вопросов — найдутся ли подходящие условия для образования комплекса, сохранится ли комплекс при введении в материал, как микроокружение повлияет на свойства «гостя» и комплекса в целом — коллектив московских ученых исследовал его свойства в воде, водно-этанольном растворе и силикатном гидрогеле.
Исследование показало, что люминесцентный комплекс толан@α-циклодекстрин образуется и сохраняется как в растворах, так и в геле. При этом увеличение плотности среды, окружающей люминофор, снижает подвижность «гостя» и уменьшает вероятность безызлучательных процессов, соответственно, повышая вероятность излучательных.
Своим исследованием ученые доказали, что материал с супрамолекулярной системой можно использовать для создания молекулярного детектора. «Если, например, материал-носитель является проницаемым для молекул летучих органических соединений, то супрамолекулярная система может работать как сенсор, распознающий эти молекулы», — сообщила Наталья Лобова.
Результаты проведенного российскими учеными исследования были представлены в статье «Спектральные свойства толана и его супрамолекулярных комплексов в растворе и силикатном гидрогеле», опубликованной в журнале Physical Chemistry of solutions.
