На сайте журнала Chemical & Engineering News завершилось голосование за «молекулу года». На первом месте оказался дырчатый графен — за него проголосовали 58 процентов участников опроса. Второе место — у нового класса стереоизомеров, а замкнул тройку призеров диметилкальций, синтез которого никто не мог повторить в течение 60 лет.
Голосование за молекулу года — неофициальный «химический Оскар» — происходит на сайте журнала Chemical & Engineering News уже в третий раз. Большинство посетителей портала — химики или как минимум те, кто плотно интересуется этой наукой, поэтому о последних открытиях знают не понаслышке.
Пористый победитель
В 2018 году на первом месте с огромным отрывом оказался «дырчатый графен» от группы испанских химиков. Ему отдали свои голоса 58 процентов участников опроса. Графен — двумерная модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом, за его исследования в 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию. Одна из областей применения, которую с самого начала прочили графену, — использование его в полевых транзисторах, приборах, генерирующих и усиливающих электромагнитные колебания. Многие ученые полагали, что благодаря высокой подвижности носителей зарядов в графене такие транзисторы будут работать эффективней, чем кремниевые — основа современной микроэлектроники.
Проблема была в том, что графен является так называемым полуметаллом, то есть по своим проводящим свойствам находится между металлами и полупроводниками. Из-за этого транзисторы на чистом графене работали плохо: в них был большой ток утечки. Теоретические расчеты показывали, что графен можно превратить в полупроводник, сделав его «дырчатым» — не допировав положительными зарядами «дырками», а в буквальном смысле — проделав в углеродном слое отверстия. Многие группы ученых пытались правильно «продырявить» графен — например, бомбардируя его лазерным пучком, — однако преуспеть в этом деле никому не удавалось: дырки получались слишком большими, были расположены хаотично и, самое главное, дырявый графен все равно оставался полуметаллом.
Исходное производное антрацена и графеновый лист с регулярными отверстиями
Иллюстрация: Chemical & Engineering News
Испанские химики под руководством Диего Пенна и Цезаря Морено в «графеновой гонке» не участвовали — они занимались циклизацией различных мелких молекул под действием катализаторов. В конце 2017 года испанцы проводили эксперименты с производным антрацена — небольшой молекулы из трех ароматических бензольных колец. Модифицированный антрацен нанесли на золотую подложку и нагрели до 200 градусов. Как и ожидали ученые, после нагревания произошла полимеризация и антрацен превратился в особые ароматические «наноленты», свойства которых они планировали изучать. Однако по чистой случайности один из образцов был нагрет не до 200, а до 400 градусов, после чего Пенна и его коллеги с изумлением увидели, что ленты самоорганизовались еще раз и сформировали двумерный графеноподобный лист.
Дальнейший анализ показал, что на подложке находится не просто графен, а графен с регулярно расположенными порами абсолютно одинакового размера, тот самый «священный Грааль», который уже несколько лет искали ученые по всему миру. Такой графен действительно оказался полупроводником, более того, авторы работы уже сконструировали на его основе первые работающие транзисторы. Сейчас в планах ученых — исследовать и другие свойства нового материала, например попробовать очищать с его помощью воду.
Чудо-изомеры и диметилкальций
Обладатели второго и третьего места сильно отстали от лидера, набрав соответственно 11 и 10 процентов голосов. Оба эти вещества вряд ли будут иметь практическое применение, но важны для фундаментальной науки — каждое по-своему.
Серебро досталось веществам с новым классом пространственной изомерии, которые синтезировали ученые из Сиднея. Вообще, пространственные изомеры (стереоизомеры) — это соединения с одинаковым строением (то есть состоящие из одинаковых наборов атомов, одинаково связанных между собой), которые отличаются только взаимным расположением некоторых фрагментов в пространстве. Пространственные изомеры могут отличаться по свойствам, особенно часто — по влиянию на живые организмы. Яркий пример — пугающие всех транс-жиры: эти соединения отличаются от «нормальных» цис-жиров наклоном одного из фрагментов относительно двойной связи «углерод-углерод». В новом соединении от австралийских химиков все устроено сложнее: центральный атом кислорода связан с двумя неэквивалентными (то есть находящимися в разном окружении) атомами бора, и в зависимости от валентного угла между ними конструкция может быть «выгнута» в одну либо другую сторону. А для того, чтобы боры не «прокручивались», каждый из них сделали частью циклического кольца.
Согласно расчетам, это последний возможный тип пространственной изомерии, его существование было предсказано еще в середине прошлого века, но вот синтезировать и разделить такие изомеры пока ни у кого не получалось.
Поднявшийся на третье место диметилкальций тоже долгое время «ускользал» от ученых. Это очень простое на вид соединение, состоящее из атома кальция и двух групп CH3, его впервые получили американские химики Пэйн и Сандерсон в 1958 году. Но воспроизвести синтез до недавнего времени никому не удавалось, несмотря на то что за минувшие 60 лет кальций-органическая химия развивалась весьма бурно и были получены и изучены многие более сложные вещества. Самые скептично настроенные ученые вообще считали, что и Пэйн и Сандерсон никакого диметилкальция не получали, а опубликованные результаты подделали. Челлендж удалось закрыть только в январе этого года группе профессора Райнера Анвандера из Германии. Немецкие химики получили диметилкальций в результате реакции между метиллитием и бис-триметилсилиламидом кальция. Залогом успеха стала высокая чистота исходного метиллития — для его очистки ученые собрали отдельную установку.
В трех шагах от победы
На победу также претендовал новый тип проводящих полимеров от химиков из США. Сами по себе проводящие полимеры не новость: такие вещества уже давно используются в солнечных батареях и светоизлучающих диодах. Но все эти полимеры относятся к «сопряженным» — имеют в своем составе много богатых электронной плотностью двойных связей, которые обеспечивают проводимость. Новый же полимер не содержит двойных связей, электроны в нем «проводятся» по связям кислород-азот. Из-за своей структуры такой полимер стабильнее, чем большинство «сопряженных» аналогов, а проводимость имеет почти такую же хорошую, поэтому у него есть все шансы стать востребованным в органической электронике. Впрочем, читателей Chemical & Engineering News этот прорыв не слишком впечатлил — за него отдали свои голоса только 4% участников опроса.
Наносатурн с молекулой фуллерена в центре
Иллюстрация: Angew. Chem., Int. Ed.
Также среди претендентов на победу оказались две молекулы-гиганта: «наносатурн» с фуллереном в центре от японских ученых и молекулярный узел (molecular knot) от группы из США. А еще — два яда: «Новичок», который попал в поле зрения СМИ после отравления Сергея Скрипаля, и впервые искусственно воспроизведенный яд бледной поганки. В отличие от «Новичка», второй яд планируют использовать для благих целей — у него обнаружена антираковая активность.
Источник: chrdk.ru