Текст уведомления здесь

Дырчатый графен взял золото

Он обошел наносатурн с фуллереном в центре, яд «Новичок» и вещество, синтез которого никому не удавалось воспроизвести шестьдесят лет

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.
Добавить в закладки
Комментарии

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 отверстиямиИллюстрация: 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.

Схема соединения с новым типом пространственной изомерии. Центральный атом кислорода показан красным цветом, соседние с ним атомы бора — розовым цветомИзображение: Jeffrey Reimers

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 центреИллюстрация: 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.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью

Чем отравить боль

Как самые смертоносные соединения в природе становятся послушными инструментами медиков

Ему повезло. Прямо под ним на песке безмятежно лежал Conus regius, корончатый конус, пестрый, идеально правильной формы — желанное приобретение для любого ценителя раковин. Сделав выдох, дайвер опустился ближе ко дну, взял крапчатую раковину в руки и отправился на поверхность. Уже на берегу, разобрав свои находки, он обнаружил едва заметную ранку на пальце. Вскоре легкий зуд в пальцах и онемение кисти подтвердили худшие опасения, а через пару часов рука уже полностью онемела. Неотложка, госпиталь, удивленное лицо врача — еще ни разу за свою карьеру медик не сталкивался с этим, нетипичным для здешних вод, ядом.
Добавить в закладки
Комментарии

К счастью, эта история закончилась для всех благополучно: дыхание и сердцебиение везучего коллекционера нарушал лишь легкий испуг. Уже на следующее утро все симптомы прошли, укушенный в палец ценитель раковин отправился домой, а медики сели писать статью — о первом в медицинской практике случае отравления ядом корончатого конуса.

Бразильскому коллекционеру и правда несказанно повезло. Если бы в его руках оказался не мирный карибский Conus regius, а его своенравный индо-тихоокеанский родич Conus geographus, раковина, найденная им в тот день, легко могла бы стать его последним трофеем.

Моллюски рода Conus — абсолютно фантастические существа. Щедрая на выдумки природа вооружила их настоящей гарпунной пушкой. Типичная для всех брюхоногих моллюсков костная терка-радула, выполняющая роль челюсти, превратилась у конусов в кассету острых костных гарпунов — во время охоты один из таких гарпунов подается в мускулистый хоботок, сокращение которого вонзает гарпун в тело жертвы. Чаще всего это рыба, легкомысленно проплывающая вблизи затаившегося моллюска. Но самое потрясающее во всей этой истории — яд, которым перед выстрелом моллюск заправляет особую полость в своем гарпуне. [ ... ]

Читать полностью

Прикарманившие эволюцию

Нобелевскую премию по химии забрали ученые, устроившие эволюцию белков в отдельно взятой пробирке

Что мы знаем о нобелевских лауреатах по химии 2018 года? Их трое (но это могли бы быть другие люди). Все они — скорее биологи. Они работали по отдельности, но каждый взял на себя роль творца — заставил бактерий производить интересующие его белки, раз за разом отбирая лучшие варианты. Теперь нам известно, кто двигает современную эволюцию (по крайней мере, на молекулярном уровне): их зовут Фрэнсис Арнольд, Джордж Смит и Грегори Уинтер.
Добавить в закладки
Комментарии

Эта история началась более 30 лет назад. Мобильные телефоны были редкостью, геном человека еще не начали секвенировать, а о CRISPR, и уж тем более Cas, никто не слышал. Молекулярная биология была совсем не похожа на то, что мы видим в современных лабораториях. Ученые искали способ создавать усовершенствованные белки с новыми свойствами. Можно, конечно, попробовать собрать белок с нуля, но велик шанс промахнуться и новых свойств не получить. Тогда появилась беспроигрышная идея — использовать проверенный механизм адаптации молекул к новым условиям, эволюцию.

Это сейчас, оглядываясь назад, мы можем говорить о том, что эти люди применили принципы живых систем к неживым и продвинули нас на пути к созданию искусственной жизни. А тогда они всего лишь решали конкретные задачи: пытались разобраться во взаимодействии ДНК и белков, хотели создать биоразлагаемое топливо или новое лекарство и едва ли могли предположить, что на их примере мы через много лет напишем инструкцию для начинающих творцов, решивших оседлать эволюционный процесс.

С чего начать

Лучше всего — с профильного образования, как это сделали Джордж Смит и Грегори Уинтер, которые как решили в молодости заняться биологией, так всю свою жизнь ей и занимаются. [ ... ]

Читать полностью