Загадочная синяя молекула поможет лучше использовать энергию света
Исследователи IOCB Праги первыми описали причины поведения одной из фундаментальных ароматических молекул, которая очаровывает научный мир не только своим синим цветом, но и другими необычными свойствами — азулена. Их нынешняя работа повлияет на основы органической химии в ближайшие годы и на практике поможет использовать максимальный потенциал захваченной световой энергии. Новая статья опубликована в Journal of the American Chemical Society (JACS).
Азулен уже много лет вызывает интерес химиков. На вопрос, почему он синий, несмотря на отсутствие очевидной причины для этого, почти 50 лет назад ответил учёный мирового значения, по совпадению имевший тесные связи с пражским IOCB, профессор Йозеф Михл.
Теперь доктор Томаш Сланина идет по его стопам, чтобы предложить своим коллегам в этой области решение еще одной загадки. Он и его коллеги убедительно описали, почему крошечная молекула азулена нарушает универсальное правило Каши.
Это правило объясняет, как молекулы излучают свет при переходе в различные возбужденные состояния. Если воспользоваться аналогией восходящей лестницы, то первая ступень (первое возбужденное состояние молекулы) высокая, а каждая последующая ступень ниже и, следовательно, ближе к предыдущей. Чем меньше расстояние между ступенями, тем быстрее молекула стремится опуститься со ступени на более низкие уровни. Затем он дольше всех ждет на первом этапе, прежде чем вернуться на базовый уровень, после чего может излучать свет. Но азулен ведет себя иначе.
Чтобы объяснить поведение азулена, исследователи из IOCB Праги использовали концепцию (анти)ароматичности. Опять же, проще говоря, ароматическое вещество характеризуется не ароматическим запахом, а тем, что оно стабильно или удовлетворено, если хотите. Некоторые химики даже неофициально называют его знакомым смайликом.
Антиароматическое вещество нестабильно, и молекула стремится как можно быстрее выйти из этого состояния. Он покидает более высокое энергетическое состояние и падает вниз. На первой ступени азулен является ненасыщенным, т.е. антиароматическим, и поэтому падает вниз порядка пикосекунд, не успев испустить свет.
Однако на втором этапе он ведет себя как насыщенное ароматическое вещество. И это важно. Он может существовать в этом возбужденном состоянии даже целую наносекунду, и этого достаточно, чтобы излучать свет. Поэтому энергия этого возбужденного состояния никуда не теряется и полностью преобразуется в фотон высокой энергии.
Своими исследованиями команда Сланиной отвечает потребностям настоящего, которое ищет способ гарантировать, что энергия фотонов (например, Солнца), захваченная молекулой, не будет потеряна и ее можно будет использовать в дальнейшем (например, для передачи энергии между молекулами или для разделения зарядов в солнечных элементах).
Цель состоит в том, чтобы создать молекулы, которые максимально эффективно управляют энергией света. Кроме того, в текущей статье исследователи во многих случаях показывают, что свойства азулена можно передавать; его можно просто присоединить к структуре любой ароматической молекулы, благодаря чему эта молекула приобретает ключевые свойства азулена.
Томаш Сланина добавляет: «Мне нравятся теории, которые настолько просты, что их можно легко представить, запомнить и затем применить. И это именно то, что нам удалось сделать. Мы ответили на вопрос, почему молекулы ведут себя в определенных условиях. и мы сделали это, используя очень простую концепцию».
В своих исследованиях ученые IOCB Праги использовали несколько уникальных программ, которые позволяют рассчитать, как ведут себя электроны в молекуле в вышеупомянутых высших возбужденных состояниях. В целом об этих состояниях мало что известно, поэтому работа также является новаторской, поскольку открывает двери для их дальнейшего изучения. Более того, статья, опубликованная в JACS, является не только расчетной, но и экспериментальной.
Исследователи из группы Томаша Сланина подкрепили свои выводы экспериментом, который точно подтвердил правильность расчетных данных. Они также сотрудничали с одним из самых уважаемых в мире специалистов в области (анти)ароматических молекул, профессором Хенриком Оттоссоном из Уппсальского университета в Швеции. И это второй раз, когда JACS проявляет интерес к их сотрудничеству. Первый раз это было связано с исследованием другой первичной молекулы — бензола.
Однако история азулена еще более многослойна. Это касается не только фотохимии, но и медицины. Как и первое направление, второе также отмечено печатью IOCB Праги — одним из первых препаратов, разработанных в его лабораториях, была мазь на основе ромашкового масла, содержащая производное азулена.
Обсудим?
Смотрите также:
