Японские ученые заставили вращаться молекулы в твердом кристалле

Успеха в создании кристалла с вращающейся внутри его гигантской молекулой добилась научная группа под руководством доцента Мингу Джина из Института проектирования и открытия химических реакций (WPI-ICReDD) Университета Хоккайдо, 29 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Все знают, что в твердых материалах молекулы неподвижны, но ученые тем не менее ищут способы включения движущихся частей (молекулярных роторов) в твердые тела. Они надеются, что это поможет в создании новых необычных материалов, таких как амфидинамические кристаллы, внутри которых находятся и жесткие, и подвижные компоненты. Свойства таких кристаллов можно изменять, управляя вращением этих компонентов.

Но для этого в кристалле (и в твердых телах в целом) должно быть свободное место для такого вращения, которого обычно там нет. Однако научная группа из WPI-ICReDD сумела поставить рекорд, создав в твердом теле самый большой молекулярный ротор.

Этот ротор представляет собой центральную вращающуюся молекулу, соединенную с неподвижными молекулами статора — неподвижной части кристалла, осевыми молекулами. Такие системы создавались и ранее, но в этом исследовании ротор, состоящий из молекулы пентиптицена, имеет диаметр почти на 40% больший, чем у его предшественников, что является значительным прогрессом.

Вращение такой большой молекулы потребовало создания в кристалле достаточно большого свободного пространства. Команда создала для этого внутри кристалла вогнутые, напоминающие зонтики металлические комплексы, которые защищали молекулу ротора от нежелательных взаимодействий с другими молекулами. Добиться этого им удалось, когда они присоединили большую молекулу к атому металла статора.

Руководитель группы пояснил: «Я почерпнул эту идею из яйца, которое занимает большое пространство и защищает свою внутреннюю часть круглой твердой скорлупой. Чтобы сформировать подобное в молекуле, я решил инкапсулировать пространство ротатора с помощью громоздких статоров вогнутой формы».

Молекулярное движение в твердом состоянии было подтверждено сравнением экспериментальных и расчетных спектров ядерного магнитного резонанса кристалла, которое показало, что этот гигантский молекулярный ротор вращается с интервалом 90 ° с частотой в диапазоне 100–400 кГц.

Эта работа японских ученых расширяет возможности молекулярного движения в твердом состоянии и дает базу для изучения новых направлений в разработке амфидинамических кристаллов, что в результате может привести к разработке новых функциональных материалов с уникальными свойствами.

Джин отметил, что разработанная ими технология создания ротора «позволяет включать различные типы вспомогательных соединений, в том числе люминофоры, что позволит разработать высокофункциональные, сложные оптические или люминесцентные твердотельные материалы».

Результаты исследования ученые представили в статье «Гигантские кристаллические молекулярные роторы, работающие в твердом кристалле», опубликованной в журнале Angewandte Chemie.