Российские ученые создали супрамолекулярную систему толан@α-циклодекстрин и исследовали её свойства в воде, водно-этанольном растворе и силикатном гидрогеле. Полученные результаты опубликованы в журнале Physical Chemistry of solutions.
Супрамолекулярная система — это ансамбль молекул, связанный нековалентными взаимодействиями (водородными связями, электростатическими и/или гидрофобными взаимодействиями) и способный действовать как единое целое (большая молекулярная структура).
«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», — пояснила Наталья Лобова, кандидат химических наук, доцент кафедры физики супрамолекулярных систем и нанофотоники МФТИ.
На практике такие комплексы могут использоваться для создания новых сенсорных систем и материалов; для 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. Циклодекстрины и кукурбитурилы отличаются между собой по свойствам, поэтому выбор кавитанда в сочетании с выбором гостя позволяет осуществлять “тонкую настройку” свойств всей супрамолекулярной системы и, таким образом, получать системы с заранее прогнозируемыми свойствами — люминесцентными, фотохимическими», — рассказала Наталья Лобова.
Если гость размещается внутри полости кавитанда, то такой комплекс называют «инклюзионным» или «комплексом включения». Взаимное расположение молекул в комплексе «гость-хозяин» обозначают значком @, то есть «at» от английского guest@host.
Толан (дифенилацетилен) является люминофором — веществом, которое излучает свет одной волны при воздействии на него излучением другой длины волны. Супрамолекулярные люминесцентные системы кавитандов с органическими гостями сравнительно мало исследованы, несмотря на то, что циклодекстрины активно применяются в пищевой и косметической промышленности уже порядка 50 лет. Коллектив ученых из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и МФТИ исследовал систему толан@α-циклодекстрин, которая образует комплекс включения за счет гидрофобных взаимодействий органического гостя с полостью кавитанда.
Супрамолекулярная система образуется за счет множества слабых нековалентных связей и упорядочивания системы. Большим преимуществом таких систем является их подвижность. Это значит, что чтобы разделить комплекс на части не требуется много энергии, так как компоненты комплекса связаны слабыми связями.
«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», — объяснила Наталья Лобова.
На этом этапе возникает множество вопросов: найдутся ли подходящие условия для образования комплекса? Сохранится ли комплекс при введении в материал? А если всё получится, то как микроокружение повлияет на свойства гостя и комплекса в целом? На все эти вопросы ученые ответили в своей работе, показав, что люминесцентный комплекс толан@α-циклодекстрин образуется и сохраняется не только в растворах, но и в геле. При этом увеличение плотности среды, окружающей люминофор, уменьшает подвижность гостя, и, вместе с этим, снижает вероятность безызлучательных процессов, повышая вероятность излучательных.
Материал с супрамолекулярной системой может быть использован 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», — рассказала Наталья Лобова.
