Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел : ИЗМЕРЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ. Тема НАНОТЕХНОЛОГИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ ( САМООРГАНИЗАЦИИ МОЛЕКУЛ ). ( САМООРГАНИЗАЦИИ МОЛЕКУЛ ).
НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ МЕХАНОСИНТЕЗА ? ? ? ? ? ? ?
Из лекции академика Ю.Д. Третьякова для Научно-образовательного Центра по нанотехнологиям МГУ (
Из лекции академика Ю.Д. Третьякова для Научно-образовательного Центра по нанотехнологиям МГУ (
Супрамолекулярная ( надмолекулярная ) Химия Химия нековалентных взаимодействий НАНОТЕХНОЛОГИИ -2 «СМХ» САМООРГАНИЗАЦИЯ молекул
«ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ
«Сильные» химические связи Возникают, когда происходит обмен (обобществление) валентных электронов атомов Имеют энергии в несколько сотен кДж/моль «ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ Ковалентные взаимодействия: Ковалентные взаимодействия в молекуле метана
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ ( «СМХ» )
«Слабые» химические связи Нековалентные взаимодействия: Водородные связи Водородные связи Электростатические (ионные и ионно-дипольные) связи Электростатические (ионные и ионно-дипольные) связи Гидрофобные связи Гидрофобные связи Взаимодействия ван-дер-Ваальса Взаимодействия ван-дер-Ваальса - взаимодействия - взаимодействия Имеют энергии в несколько единиц и десядков кДж/моль «СМХ»
Водородная связь играет важнейшую роль в живой природе
Водородные связи в гидратах природных газов
Геккону помогают взбираться на вертикальную стеклянную поверхность Ван-дер-ваальсовы силы, возникающие между щетинками на его лапах и стеклянной поверхностью
стэкинг стэкинг
«ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ СИЛЬНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ Ограниченный набор базовых «строительных элементов» Многообразие молекулярных «наноизделий»
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ СЛАБЫХ НЕКОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ Многообразие базовых «строительных элементов» «Вселенная» супрамолекулярных «наноизделий»
НАНОТЕХНОЛОГИИ - 2 СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ (СМХ) САМООРГАНИЗАЦИЯ
ПУТЕМ МОЛЕКУЛЯРНОГО РАСПОЗНАВАНИЯ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ « ХОЗЯИН - ГОСТЬ »
В 1894 году Эмиль Фишер (Emil Fischer) высказал предположение, что форма некоторых молекул (энзимов) является определяющим фактором для нековалентных взаимодействий. Взаимодействия происходят, если формы молекул «подходят» друг к другу – так же как к замку подходит только определенный ключ. Впоследствии, образующиеся супрамолекулярные структуры стали описывать терминами «замок – ключ» и «хозяин – гость». При образовании подобных структур происходит молекулярное распознавание «хозяином» определенных молекул среди множества разнообразных «гостей»..
Самосборка структур «хозяин – гость» путем молекулярного распознавания X Y Ковалентная связь Молекула - хозяин Молекулы - гости Формирование молекулы - хозяина Самосборка супрамолекулярных структур Нековалентные связи
Пример компактной структуры « хозяин – гость » Хозяин. Молекула - «прищепка» Гость. Молекула C6H6O2
Нобелевская премия по химии 1987 года за исследования молекулярного распознавания «хозяин – гость» : * Дональд Крам (Donald J. Cram, ) - США * Жан Лен (Jean-Marie Lehn, 1939-) - Франция * Чарльз Педерсен (Charles J. Pedersen, ) - США Термин «супрамолекулярная химия» впервые использовал Ж.М. Лен в 1978 году
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ » ( Педерсен ) Краун – эфиры (crown-ethers)
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ » ( Лен ) Криптанды (cryptands) [2.2.2]-криптанд, образующий комплекс «хозяин-гость» с ионом Na+.
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ » ( Крам ) Сферанды и Кавитанды «ХОЗЯИН» - сферанд «ХОЗЯИН» - кавитанд
ПРИМЕРЫ НАНООБЪЕКТОВ И НАНОСТРУТУР, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДАМИ СМХ - САМООРГАНИЗАЦИИ
Самосборка топологически сложного нанообъекта – «молекулярных колец Борромео» Молекулярные «детали»: 6 ионов переходного металла Zn2+ 6 молекул тридентантного лиганда (2,6-diformylpyridine); 6 молекул бидентантного лиганда диамина;
НАНОБЪЕКТЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ СТРУКТУРОЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ – в системах обработки информации, датчиках и т.п.
Молекулярный переключатель ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ 0 1 Переключение – при изменении кислотно – щелочного баланса среды СИСТЕМЫ «ХОЗЯИН – ГОСТЬ»
Молекулярный разъем Включение – выключение передачи энергии фотовозбуждения – при изменении кислотно – щелочного баланса среды « Розетка »« Вилка » СИСТЕМЫ «ХОЗЯИН – ГОСТЬ»
1 m САМООРГАНИЗАЦИЯ ГЕЛЕВЫХ СТРУКТУР ИЗ «НАНОВОЛОКОН» Самооганизация «нановолокна» Самооганизация геля
20nm Наноупаковка лекарств для разрушения опухолей Под действием ИК света оболочка наночастиц разрушается
Нанотерапия злокачественных опухолей мышей Направление луча лазера % выживания Дни Нанотерапия Контроль
«…. Тысячи нанороботов пройдут по нефтяному пласту….»
Гипотетические продукты нанотехнологий механосинтеза
Реальные продукты супрамолекулярных нанотехнологий
«Нанороботы» в порах пласта Более «нанороботов»
КОНЕЦ ЛЕКЦИИ