№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Химикам впервые удалось перестроить атомные связи в молекуле

Фото: IBM Research Europe

Изогнутые молекулы алкина (слева), бирадикала (в центре) и циклобутадиена под атомно-силовой микроскопией

Учёные ищут способ сделать химические реакции как можно более точными.

Исследователям из Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании, Университета Регенсбурга в Германии и IBM Research Europe удалось заставить одну молекулу пройти серию преобразований с помощью крошечного скачка напряжения.

Обычно химики добиваются точности реакций, регулируя меру кислотности pH, добавляя или удаляя доступные кислоты-доноры протонов. С помощью этого процесса они могут контролировать, как молекулы обмениваются электронами для образования химических связей. 

«Однако с помощью новых средств условия реакции изменяются до такой степени, что основные механизмы, регулирующие селективность, часто остаются неуловимыми», – пишут ученые.

Другими словами, иногда бывает сложно измерить то, что происходит в каждой химической связи и в каждом взаимодействии атомов одной большой органической молекулы. 

Команда начала свои эксперименты 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.

Приклеив тонкий слой материала к холодному, покрытому солью куску меди, исследователи удалили хлор, 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.

Обычно такая шаткая структура оказалась бы недолговечной, поскольку оставшиеся электроны также соединились бы с друг другом. Но исследователи обнаружили, что эта конкретная система заметно отличалась. Тогда учёные устроили легкий скачок напряжения электрошокером размером с атом и поняли, что могут заставить одну молекулу соединить эту вторую пару электронов таким образом, что четыре клетки сместятся в сторону так называемого изогнутого алкина.

При чуть менее энергичной встряске эти электроны образовывали пары по-другому, искажая структуру в так называемое циклобутадиеновое кольцо. Заставляя одну молекулу деформироваться в разные формы или изомеры, используя точные скачки напряжения, исследователи могли получить представление о поведении ее электронов, а также о стабильности и предпочтительных конфигурациях органических соединений.

Подобные исследования не только помогают сделать химию более точной, но и предоставляют инженерам новые инструменты для производства машин в наномасштабе, деформируя углеродные каркасы в экзотические формы, которые были бы невозможны с помощью обычной химии.