В 19 веке научное сообщество ломало голову над тем, как устроены атомы в загадочном соединении бензола. Вскоре выяснилось, что эта «ароматическая» молекула имеет удивительно простую структуру: она состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Но как эти двенадцать атомов могли расположиться в пространстве так, чтобы образовался химически стабильный объект? Химик Фридрих Август Кекуле, впоследствии профессор Боннского университета, пролил свет на тьму. Легенда гласит, что зимой 1861 года он дремал у камина. Кекуле внезапно увидел змею, пожирающую собственный хвост. Он понял, что атомы углерода бензола должны быть организованы по кругу, подобно маленькому колесу телеги.
«Эта мечта в конечном итоге заложила основу для масштабного расширения химической промышленности к концу 19-го века», - говорит профессор Сигурд Хёгер из Института органической химии и биохимии Кекуле Боннского университета, который является членом междисциплинарной исследовательской области «Строительные блоки материи и фундаментальные взаимодействия» Боннского университета. Например, бензол является важным строительным материалом для красок, фармацевтических препаратов и пластмасс.
Сотни бензольных колец в форме лестницы
Хотя колесо часто называют старейшим изобретением человечества, лестница на самом деле намного старше. Преемники Кекуле в Боннском университете давно мечтали о молекулах в форме лестницы, состоящей из сотен бензольных колец. Исследователи из Института Кекуле и Центра теоретической химии Малликена при Боннском университете вместе с командой под руководством проф. Джон Лаптон из Института экспериментальной и прикладной физики Регенсбургского университета сконструировал такую молекулярную лестницу. Это молекула с двумя дорожками так называемых «сопряженных полимеров», в которых между атомами углерода чередуются двойные и одинарные связи. Они представляют собой перила, за которые вы держитесь, когда поднимаетесь по обычной лестнице.
Исследователи сначала разработали соединение-предшественник, которое содержало только одну полимерную цепь и прикрепленные полимеризуемые группы - гибкую «змейку». Для некоторых материалов вторая направляющая лестницы была сформирована на последующем этапе с помощью застежки-молнии, как при закрытии куртки. Таким образом, помимо полимера с одной сопряженной рейкой, команда получила полимер с двумя сопряженными рейками - жесткую «лесенку». Оба полимера были одинаковой длины, и теперь их можно было сравнивать друг с другом: как превращение змеи в лестницу повлияет на свойства материала?
Исследователи исследовали структуру с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Крошечная молекулярная лестница имеет один нанометр (миллионную долю миллиметра) в высоту, два нанометра в ширину и сто нанометров в длину. Химики также подтвердили форму и необычайную жесткость лестницы - по сравнению со змеями - путем обширного компьютерного моделирования с использованием новой теории, которая предсказывает индивидуальные движения всех атомов внутри молекулы.
Потенциальный строительный блок для электроники
«Лестничная структура сохраняется не только при размещении молекул на поверхности, но и при их растворении в жидкости», - говорит профессор Луптон из Регенсбургского университета. Эта особенность, добавляет он, позволяет энергии перемещаться вдоль молекулы в пространстве, обеспечивая потенциальный строительный блок для оптических сетей, цепей и датчиков.
В принципе, такие полимеры проводят электрический ток и могут быть использованы для изготовления новых дисплеев на основе органических светодиодов (OLED) или для преобразования света в электричество в солнечной батарее. Когда свет падает на такую молекулу, он поглощается и производит небольшой пакет энергии. Исследователи смогли наблюдать, как эти пакеты практически беспрепятственно перемещались по лестнице, словно на зиплайне. С другой стороны, открытые змеевидные полимеры не проявляют этого эффекта. Их свойства аналогичны свойствам обычных полимерных молекул: пакеты скользят по «змейкам» и теряют энергию.
Разбитая мечта Кекуле
«Хотя старый Кекуле «видел» единственную молекулу в виде кольца, он, конечно же, никогда не мечтал о том, что когда-нибудь появятся гигантские молекулы такой жесткости, что они не смогут кусать себя за хвосты», - говорит Хёгер, подводя итоги результат с подмигиванием.
Видео компьютерного моделирования молекул: