Российские ученые создали новую молекулу: что это значит для науки

Российские ученые создали новую молекулу: что это значит для науки

Первые органические магнитные соединения были созданы в 1985 году, но до сих пор их не так много. В перспективе органические магниты могут стать альтернативой кремнию и металлам, используемым в электронике.
Из всех органических магнитов наиболее перспективными считаются стабильные радикалы. Это связано с особенностями их внутренней структуры. С ними и работают ученые Томского политеха.
«Стабильные радикалы — это органические молекулы, у которых не хватает одного электрона. И если обычные радикалы живут буквально доли секунд, так как стремятся побыстрее восполнить нехватку электрона и вступить в реакцию с другими молекулами, то стабильные представители могут жить даже годы. Поэтому с ними можно работать.
В своих исследованиях мы ищем наиболее простые способы комбинации стабильных радикалов между собой, продукты таких реакций могут обладать очень интересными свойствами. Например, в данной работе мы презентовали сразу три новые молекулы, одна из которых представляет особый интерес», — говорит один из авторов статьи, ассистент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
Сам процесс соединения двух радикалов крайне сложный. Он требует тщательного подбора условий, при этом точных методов для моделирования реакций и прогнозирования результата нет. Поэтому каждую новую молекулу такого типа можно назвать событием в мире органической химии.
«Обычно для синтеза новой молекулы используется 10-15 последовательных превращений. Мы предложили другой подход: взять два радикала разного типа (вердазильный и нитронил-нитроксильный) и сложить их вместе, как детальки от пазла, посредством одной реакции, — отмечает ученый. — Это, а также конечная реакция, предложенная нашими новосибирскими коллегами, позволило сократить число стадий в синтезе до восьми. Это существенное упрощение для химиков. В итоге, чтобы нам что-то изменить в синтезе, попробовать другие исходные элементы, у нас уходит день-два, у других групп на те же действие может уйти месяц».
Одна из полученных молекул представляет особый интерес благодаря сочетанию стабильности (выдерживает нагревание до 200 градусов по Цельсию) и свойств. Например, у молекулы высокий показатель спин-спинового обмена между двумя радикалами, входящими в ее состав.
«Между радикалами правильное расстояние, которое обеспечивает хороший обмен межу ними. Что это дает? Это значит, что у получившейся молекулы большая энергетическая щель — разница между низколежащим и высоколежащим энергетическими уровнями. Чем эта щель больше, тем в перспективе лучше для различного рода применений. Этот переход между низким уровнем энергии и высоким должен быть предсказуемым и управляемым. Это напрямую связано с величиной энергетической щели. Чем она больше, тем проще работать с этими молекулами», — говорит ученый.
По словам исследователя, в дальнейшем ученые будут искать возможности для практического применения полученных соединений.
«Это исследование междисциплинарное, результат сотрудничества целого ряда организаций — как университетов, так и академических институтов — под руководством доцента Павла Постникова, профессора Евгения Третьякова, академика Виктора Овчаренко. Особая роль в работе принадлежит молодому руководителю уже собственной научной группы — ассистенту Павлу Петунину.

У нас действует программа развития молодых исследователей, которая приносит свои плоды в становлении молодежных научных групп. Мы прилагаем усилия для создания комфортной научной среды, даем ученым возможность воплощать свои идеи в реальность. Научная группа Павла Петунина — это пример того, как аспирант, защитив кандидатскую диссертацию, остается в университете и начинает свое направление, создает свою группу», — говорит директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Марина Трусова.

Связанные вопросы и ответы:

Какая была цель создания новой молекулы российскими учеными

Исследователи представили новую транспортную молекулу для визуализации адресной доставки лекарств, обнаружили новые свойства моноионных магнитов и создали метод доставки препаратов в опухоль через кровоток с помощью саморазрушающихся наночастиц. Об этих и других новостях российской науки читайте в дайджесте Минобрнауки России.

Инновационный метод доставки лекарств в опухоль

Ученые Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова разработали метод доставки препаратов в опухоль через кровоток с помощью саморазрушающихся наночастиц. Эксперимент показал, что такой способ лечения эффективнее на ранней и поздней стадиях развития меланомы, чем обычное введение лекарства.

Подробнее — на сайте ТАСС.Наука .

Молекула-«светлячок»

На фото: молекулы родамина — известной флуоресцентной метки

Специалисты Сибирского федерального университета создали новую транспортную молекулу для визуализации адресной доставки лекарств. Предложенное вещество гипоаллергенно, укрепляет иммунитет, имеет низкую токсичность и множество других полезных качеств.

Подробнее — на сайте СФУ .

«Гибридный» сверхпроводящий материал

Ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН выяснили, что созданный ими сверхпроводящий материал на базе мышьяка, европия, рубидия и железа, одновременно сохраняет сверхпроводящие и магнитные свойства при охлаждении до низких температур. По словам авторов, он будет использован для создания нового поколения спинтронных вычислительных устройств.

Подробнее — на сайте ТАСС.Наука .

Новое семейство магнитов

Сотрудники Южного федерального университета обнаружили, что нетипичные комплексные соединения кобальта, железа и никеля могут проявлять свойства моноионных магнитов. В перспективе это позволит применять подобные вещества при создании сверхплотных эффективных устройств электронной компонентной базы для хранения информации в тысячу раз более емких, чем современные.

Подробнее — на сайте ЮФУ .

Установка прессования снега

Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета представили установку для формирования блоков из снега, которая позволит эффективнее грузить его в кузов и вывозить сравнительно большие объемы за один рейс самосвала.

Подробнее — на сайте ПНИПУ .

Какие свойства новой молекулы отличают ее от других известных молекул

Будет ли чай в стакане сладким, если сахар в нем не перемешивать? Да, конечно. Но через определенное время, за которое молекулы сахара со дна стакана поднимутся в верхние слои жидкости. Значит, молекулы движутся. Как они движутся и где?

Простой опыт:

Если в полстакана крупы засыпать без перемешивания полстакана гороха, получится целый стакан. Крупинки и горошинки небольшие, но не могут «протиснуться» в пустые промежутки.

А если в мензурку налить по одинаковому количеству воды и спирта? Увеличения смеси в два раза, как в первом случае, не получится. Почему?
Молекулы воды и спирта совершенно разные. Между молекулами воды расстояния больше, чем между молекулами спирта. Вот эти промежутки частично и заполняются, уменьшая объем смеси.

Таким же образом молекулы сахара «разбегаются» по всему объему, делая чай сладким.

(Источники 1 и 2 )

Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого называется диффузией.

В газах диффузия – тоже довольно частый процесс. Проходя мимо кондитерской фабрики, люди наслаждаются запахом карамели, зефира, шоколада, входя в парикмахерскую, ощущают аромат духов, одеколона, туалетной воды. Человека постоянно сопровождают запахи. Они несут важную информацию о веществе, благодаря диффузии. В газах она протекает быстрее, чем в жидкостях, и вот почему. Межмолекулярные расстояния в газах больше, чем в жидкостях, отсюда возможности для движения больше.

А возможна ли диффузия в твердых телах? Нужно учитывать, что твердое тело держит форму без изменения, благодаря расстояниям, близким к размерам самих молекул или даже меньше их. Могут ли туда проникнуть «чужие» молекулы? Оказывается, диффузия в твердых телах тоже возможна, но при условии, что они находятся в очень тесном контакте друг с другом. Процесс длится очень медленно, и время измеряется годами. Известен опыт с двумя отшлифованными телами из золота и свинца. Их плотно прижали друг к другу и оставили под наблюдением. Диффузия произошла. Всего на 1 мм за пять лет.

Движение молекул и промежутки между ними объясняют диффузию. Гипотезу об этом впервые высказал греческий ученый Эпикур в III веке до н.э.

Опытным путем доказал это в 1827 г. Броун, знаменитый английский ботаник. Он рассмотрел через микроскоп споры растения плаун, находящегося в воде, и заметил, что эти маленькие частички постоянно двигаются в разных направлениях. Безостановочное, беспорядочное движение продолжалось и днем, и ночью, в любое время года. Почему же двигались споры растения? А двигались они потому, что их толкали и заставляли двигаться невидимые в простой микроскоп молекулы воды.

Молекулы движутся постоянно, сближаются друг с другом и, отталкиваясь, приобретают новое направление движения. Их много в веществе, и встречи, изменяющие направление, происходят очень часто. Суммарный удар нескольких молекул приводит в движение небольшие частицы, попавшие в воду. Движение этих частиц назвали броуновским движением, а сами частицы – броуновскими.

Итак, следует запомнить:

• Между молекулами существуют промежутки
• Молекулы движутся хаотично и постоянно
• Явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого называется диффузией.

Какие области науки и технологий могут быть затронуты применением новой молекулы

От медицины до энергетики: открыта чудо-молекула, которая может революционизировать современные технологии

Alexander Antipov

Ученые создали новое органометаллическое "сэндвич-соединение", способное удерживать больше электронов.

Органометаллические соединения, молекулы, состоящие из металлических атомов и органических молекул, часто используются для ускорения химических реакций. Металлоцены, один из типов таких соединений, известны своей универсальностью и специфической "сэндвич-структурой".

Доктор Сатоши Такебаяши из Окинавского института науки и технологий (OIST), совместно с учеными из Германии, России и Японии, успешно разработали новое металлоценовое соединение в OIST. Известно, что структура металлоценов может содержать до 20 электронов, но наиболее стабильным является 18-электронное соединение.

"Добавление двух электронов к 19-электронному металлоцену, создало 21-электронное соединение, что считалось маловероятным. Но получившееся у нас 21-электронное соединение стабильно в растворах и твердых веществах и может храниться длительное время", - пояснил др. Такебаяши.

Это новое соединение может стать основой для создания новых материалов в медицине, катализе и энергетике. Сложнейшим этапом исследования было доказательство, что азот успешно связался с кобальтом, не изменяя сэндвич-структуру. Для этого др. Такебаяши собрал команду специалистов, которая безошибочно доказала правильное связывание всех элементов.

"Этот прорыв был бы невозможен без участия моих коллег, которые провели колоссальную работу", - добавил доктор Такебаяши.

Статья, посвященная этому открытию, опубликована в журнале Nature Communications . В дальнейших исследованиях ученый планирует изучить использование 21-электронного металлоцена в прикладной науке, такой как катализ и материаловедение.

Какие потенциальные применения новой молекулы могут быть наиболее значимыми

Вот несколько примеров распространенных бытовых продуктов, содержащих двухатомные молекулы:

1. Водород (H2): Водород используется в различных бытовых продуктах и ​​процессах. Он широко используется в производстве пластмасс, таких как полиэтилен и полипропилен. Эти пластмассы широко используются в упаковочных материалах, контейнерах и предметах домашнего обихода. Водород также используется в топливных элементах, которые могут обеспечивать чистую и эффективную энергию для питания устройств и транспортных средств.
2. Газообразный кислород (O2): Газообразный кислород необходим для многих бытовых процессов и продуктов. Он используется в отбеливающих средствах, таких как перекись водорода, которая обычно используется в качестве дезинфицирующего средства, пятновыводителя и отбеливателя для волос. Газообразный кислород также используется в процессах горения, например, в газовых плитах и ​​каминах, для поддержки горения топлива.
3. Газообразный азот (N2): Газообразный азот представляет собой инертную двухатомную молекулу, которая обычно используется в различных бытовых продуктах и ​​процессах. Он используется в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках, таких как освежители воздуха, кулинарные спреи и лаки для волос. Газообразный азот также используется в упаковке пищевых продуктов для создания защитной атмосферы, которая помогает сохранить свежесть и качество скоропортящихся продуктов.
4. Газообразный хлор (Cl2): Газообразный хлор используется в бытовой химии благодаря своим дезинфицирующим свойствам. Его обычно используют в бассейнах и спа-салонах для уничтожения бактерий и водорослей. Газообразный хлор также используется в отбеливателе, который является распространенным чистящим средством для бытовых поверхностей и белья.

Как была создана новая молекула

Отсутствие окончательных доказательств существования HeH+ в межзвездном пространстве уже давно является дилеммой для астрономии. Астрохимические модели конца 1970-х годов указывали на возможность обнаружения таких объектов. Это привело ученых к мысли, что ион гидрида гелия может существовать в хаотичной планетной туманности, выброшенной звездами, похожими на Солнце , которые находятся на последней стадии своей эволюции – перед тем, как коллапсировать в сверхновые. О том, почему и как звезды коллапсируют в сверхновые, читайте в увлекательном материале Ильи Хеля.

Впервые молекулярный ион гидрида гелия был продемонстрирован в лаборатории в 1925 году . С тех пор исследователи искали эту молекулу на бескрайних космических просторах.

Планетная туманность NGC 702 расположена в направлении от созвездия Лебедя. В ней и находятся остатки погибшей звезды, которую окружает плотная оболочка. Исследователи полагают, что в этом первичном газе нейтральный гелий взаимодействовал с ионами водорода, образуя первую в истории Вселенной химическую связь , создав самую первую молекулу. Чтобы найти неуловимую молекулу, ученые искали характерные частоты света, который она излучает, в частности спектральную линию в дальнем инфракрасном диапазоне, которая обычно блокируется земной атмосферой. Но спектрометр дальнего инфракрасного диапазона на борту «Софии» позволил им впервые обнаружить эту сигнатуру в планетарной туманности под названием NGC 7027 (на фото выше), сообщают сегодня исследователи в журнале Nature. Результат показывает, что эта маловероятная молекула, включающая обычно нереактивный гелий, может быть создана в космосе. Когда этот краеугольный камень подтвержден, кажется, что эволюция последующих 13 миллиардов лет химии стоит на более твердой почве.

Какие исследования были проведены для изучения свойств новой молекулы

Все тела состоят из частиц — атомов, молекул, ионов.

Все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия — притяжения и отталкивания.

Таким образом, в молекулярно-кинетической теории объектом исследования является система, состоящая из большого количества частиц —  макросистема . Для объяснения поведения такой системы законы механики не применимы. Поэтому основным методом исследования является  статистический метод изучения свойств вещества.

Для объяснения и предсказания явлений важно знать  основные характеристики молекул :

1. Размеры

Оценка размера молекулы может быть сделана как размер кубика a в котором содержится одна молекула, исходя из плотности твердых или жидких веществ и массы одной молекулы:

1. Масса молекул

Отношение массы вещества  m  к числу молекул  N  в данном веществе:

1. Относительная молекулярная масса

Отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:

1. Количество вещества

Количество вещества равно отношению числа частиц  N  в теле (атомов — в атомарном веществе, молекул — в молекулярном) к числу молекул в одном моле вещества N А:

1. Постоянная Авогадро

Количество молекул, содержащихся в 1 моль вещества.

1. Молярная масса

Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля.

В Международной системе единиц молярная масса вещества выражается в  кг/моль .

1. Взаимодействие (количественно на основе опытов)

Для взаимодействия молекул характерно одновременно и притяжение, и отталкивание: на расстояниях  rr 0  — притяжение, причем оно быстро убывает. На расстоянии    система двух молекул обладает минимумом потенциальной энергии (сила взаимодействия равна нулю) — это состояние устойчивого равновесия

Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. С точки зрения МКТ агрегатные состояния различаются по  значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга .

Как новое открытие могло бы повлиять на развитие науки и технологий в России

НИОКР и их финансирование

Четкого определения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в законодательных актах Российской Федерации не сформулировано. Чаще всего под НИОКР понимают совокупность работ, направленных на получение новых знаний и их практическое применение при создании новых видов изделий или технологий, а также усовершенствование старых моделей.

НИОКР содержит в себе 2 типа работ: научно-исследовательскую (НИР) и опытно-конструкторскую (ОКР). Первая подразумевает под собой проведение исследований, обусловленных заданием заказчика, вторая — разработку образца нового изделия или новой технологии.

В России наукой занимаются около 0,8% всех работающих с общим вкладом в 1,4% ВВП. В 1990-2000 годах развитие идей и иных научных проектов отставало в темпах развития в сравнении с другими развитыми странами. Однако со временем Россия сумела достичь определенных успехов, создав систему институтов технологического и венчурного развития (НТИ, Сколково, РВК, ФСИ, Роснано). Также была создана грантовая система поддержки ученых, разработаны новые технологии (нанотрубки, вакцины, гиперзвук и т.д.), а уровень заработной платы в научном секторе был повыше (в 2015 году научный сотрудник получал 47,9 тыс рублей, в 2021 году - 114,9 тыс рублей). В то же время Россия отстает от зарубежных стран по уровню патентной и публикационной активности, постоянно снижается количество исследователей, а профессия «ученый» все реже привлекает молодых специалистов: в 2018 году произошло самое резкое сокращение, когда показатель из 77,4 тыс научных сотрудников упал до 71 тыс.

Доля внутренних затрат на НИОКР в ВВП – это ключевой индикатор уровня затрат на разработки в стране. За 32 года Россия значительно увеличила объемы финансирования, однако цифры все еще отстают от других стран. Во-первых, сложность заключается в неравномерности распределения затрат на исследования и разработки между субъектами РФ. Во-вторых, в выбранной модели финансирования: в СССР государство обеспечивало 2/3 всех затрат, такой же практики придерживается и Россия. При этом мировая практика имеет обратную тенденцию – более 60% денежных ресурсов приходятся на коммерческий сектор.

Какие другие страны могут быть заинтересованы в использовании новой молекулы

Очевидно, в наномасштабах таким технологиям нет равных. У нас есть самособирающиеся структуры, складывающиеся формы, которые могут собирать и выпускать груз, хитрые ходоки, молекулярные двигатели, транспорт, который их использует, и даже, может быть, топливо для всего этого. Вы также можете добавить им немного мозгов — вроде светодиодов в одну молекулу и простых компьютеров на основе ДНК — и в один прекрасный день они станут больше, чем просто механическими системами.

Какой прогноз ожидает наноразмерная сборочная линия Дрекслера? «Мы уже показали это», — объясняет Симан, и в этом не получится усомниться. Несколько лет назад Симан в лаборатории показал первую молекулярную сборочную линию. Четыре наноробота из ДНК шли по специально подготовленной поверхности, поднимая частицы золота и взаимодействия с ними, собираясь по мере движения в один из восьми конечных разных продуктов. Правда, конечным результатом была связка одной из восьми разных сочетаний ДНК и золотых частиц, но для доказательства концепции вполне сгодится.

Прогресс с тех пор не сбавляет темпы . Другие сборочные линии были созданы, но вместо того, чтобы пересобирать ДНК, они собирают воедино мелкие молекулы в более крупные и сложные структуры, которым можно найти новые применения. Молекулярные машины используются в лабораториях по всему миру, собирая и настраивая другие молекулы, создавая более мощные структуры, которые можно использовать для других целей.

Как ученые могут продолжить исследования и развивать потенциал новой молекулы

Изображение молекулярного конденсата Бозе-Эйнштейна под микроскопом.

Квантовая технология полна потенциала, но управление атомами и молекулами продолжает оставаться очень сложным. В новом прорывном исследовании физики впервые успешно объединили тысячи молекул в единое квантовое состояние.

Ключом к новому развитию является странное состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). Когда облако атомов низкой плотности охлаждается до температуры чуть выше абсолютного нуля, они переходят в одно и то же квантовое состояние. По сути, они начинают действовать как один гигантский атом, что приближает квантовое поведение, которое трудно измерить, до макроуровня, где его легче наблюдать.

Но чтобы реализовать наиболее интригующие приложения квантовой технологии, ученым нужно будет научиться работать с молекулами, которые более сложны и сами состоят из атомов. И теперь исследователям из Чикагского университета удалось сделать именно это.

“Атомы — это простые сферические объекты, в то время как молекулы могут вибрировать, вращаться, нести небольшие магниты”, — говорит Чен Чин, старший автор исследования. “Поскольку молекулы могут делать так много разных вещей, это делает их более полезными и в то же время их намного сложнее контролировать.”

Чтобы заставить молекулы действовать сообща, команда ученых добавила два новых шага к обычному рецепту получения конденсатов Бозе-Эйнштейна.

Во-первых, они охладили систему еще больше, чем обычно — всего до 10 нанокельвинов выше абсолютного нуля. Это помогло большему количеству атомов объединиться в молекулы.

Затем они заключили эти молекулы в плоскую поверхность, так что они могли двигаться только в двух измерениях, что помогало им оставаться стабильными дольше. Конечным результатом является двумерный молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из нескольких тысяч молекул с одинаковой ориентацией и частотой колебаний. Это, по словам ученых, может быть использовано для целого ряда квантовых приложений.

Как новое открытие может повлиять на развитие науки и технологий в целом

Развитие науки и техники связано неразрывно с прогрессом современного общества. Однако чрезвычайное повышение роли НТП не только положительно влияет на социум, но и усиливает его проблемы.

Сфера	Влияние
Положительное	Негативное
Экономическая	Роботы заменяют рутинный труда человека. Автоматизация и роботизация снижает трудоемкость, экономит время и предметы труда.	Падение нравственности и дисциплины, лень и снижение работоспособности человека. Увеличивается пропасть между богатыми и бедными. Деньги не делают общество счастливым, а более ненасытным.
Социальная	«Машина заменяет человека». Облегчение труда людей, увеличение роли сферы услуг и улучшение качества образования.	Потеря индивидуальности в связи с массовой технизацией. Люди все меньше выходят из дому и ведут малоактивный образ жизни.
Информационная	Упрощение жизни людей и улучшение процессов во всех сферах: торговле, финансовой деятельности, производстве и прочем.	Распространяется «изоляция индивида» — явление, когда человек общается опосредованно — через социальные сети, мессенджеры, электронную почту и т.д.
Политико-правовая	Разные государства все больше сотрудничают друг с другом, что приводит к прогрессу, а также экономической и технологической взаимозависимости.	В то же время наблюдается религиозная и межнациональная вражда, что в свою очередь усиливает напряженность между странами.
Духовная	Дальнейшая материализация культуры и ее составляющих.	Снижение уровня нравственности и духовности приводит к неспособности к нормальному взаимодействию и сотрудничеству.
Технологическая	Развитие новых технологий, направленных на защиту окружающей среды — электромобили, вторичное производство, солнечные батареи и т.д.	Возрастание мирового населения, массовые миграции из сельской местности в городские, а также урбанизация.