От дизайна молекул до smart-материалов

Российский научный фонд (РНФ) профинансирует исследования учёных Тольяттинского государственного университета (ТГУ) по созданию новых материалов, обладающих фотофизическими свойствами. Проект доктора химических наук Александра Голованова выиграл грант на 3 года в размере более 21 млн рублей.

Автор проекта ­– директор центра медицинской химии ТГУ Александр Бунев, который не первый год занимается поиском веществ для противоопухолевых препаратов таргетного типа. Проект направлен на разработку способов получения новых веществ и материалов для супрамолекулярной химии*, в которых сейчас остро нуждаются современная медицина и электроника. Называется он «Нуклеофильные реакции полиненасыщенных карбонилсодержащих соединений как синтетическая платформа новых материалов, обладающих фотофизическими свойствами». Реализацией проекта займётся научная группа химиков НИЛ-13 им. С. П. Коршунова «Органический синтез и анализ» – одного из подразделений научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ. Руководит лабораторией доктор химических наук Александр Голованов.

– Сами материалы стоят как бы на втором плане. Наша задача более общая. Как говорят, дать не рыбу, а удочку и научить ловить рыбу. Если есть метод, то будут и вещества, – поясняет специалист. – Всегда нужно разрабатывать новые методы и совершенствовать уже существующие, исходя из доступности сырья, сокращения образующихся отходов, сокращения числа стадий синтеза целевого соединения, увеличения выхода, селективности и т. д. Это одна из главных задач органической химии – создавать инструменты для получения конкретных веществ. Потом под это можно формулировать самые разные практические задачи.  

Экспериментируя с температурой, катализаторами и другими параметрами процесса, исследуя реакции веществ, группа Александра Голованова и создаёт такие инструменты.

– Способность вещества переизлучать направленный на него свет активно используется. В медицине она позволяет визуализировать нужные ткани или клеточные линии при исследовании биологических процессов, происходящих в живом организме. В технике это, например, флуоресцентная дефектоскопия, когда нанесение флуоресцентного материала даёт возможность увидеть трещину в детали, которая невооружённым глазом не видна, подсветить её, – говорит Александр Голованов. – Также это флуоресцентные краски, компоненты для жидких кристаллов, которые используются в электронных устройствах.

Отдельным направлением применения веществ, над созданием которых будут работать учёные ТГУ, является синтез smart-материалов – материалов, контролируемо меняющих свои свойства в зависимости от изменений окружающей среды. Они находят применение в самых разных отраслях, и потребность в них растёт с каждым днём. Считается, что за ними будущее мировой промышленности.

 В одной из своих недавних работ, результаты которой были опубликованы в международном научном журнале The Journal of Organic Chemistry (JOC), учёные ТГУ создавали условия для получения химических соединений, обладающих флуоресценцией, то есть способностью светиться под ультрафиолетовым излучением. Проект, получивший финансовую поддержку РНФ, по сути, продолжение этой работы.

– Направление эволюционирует, и основываясь на том, что мы делали раньше, мы продолжаем наши исследования, – отмечает Александр Голованов. – Также мы видим, как разработанные нами методы, впервые выявленные какие-то явления в химии органических соединений используют в своей работе другие исследователи: на нас ссылаются. То есть наши наработки применяются как в фундаментальной науке, так и на практике, например, для получения биологически активных соединений.

Проект «Нуклеофильные реакции полиненасыщенных карбонилсодержащих соединений как синтетическая платформа новых материалов, обладающих фотофизическими свойствами» учёные Тольяттинского госуниверситета будут реализовывать в тесном сотрудничестве с химиками из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), где фотоника и оптика являются одним из приоритетных направлений развития.  В ТГУ будут разрабатывать способы и методы получения веществ, а в ИТМО займутся испытанием этих веществ.

 – В последнее десятилетие мы стали свидетелями появления фото- и химически активированных соединений, которые представляют собой новые типы молекулярных архитектур и фактически являются искусственно созданными молекулярными моторами и машинами. Для создания в них чётко определённых вращательных или поступательных движений обычно используют три типа внешних воздействий: химическое, электрохимическое и фотохимическое. Далее молекулярное движение усиливается мягкой полимерной или жидкокристаллической средой, обеспечивая динамическое поведение адаптивных и биомиметических материалов. Однако многие из уже известных нам молекулярных переключателей имеют ряд недостатков, таких как сложный синтез или стабильность, поэтому необходима дальнейшая научная работа по открытию и разработке новых типов молекулярных архитектур, – отметила кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Татьяна Орлова.   

Получение новых молекул с высокой эффективностью переходов между различными структурными состояниями, улучшенной управляемостью и надёжной стабильностью раздвинет границы гибких адаптивных материалов с направленным и контролируемым макроскопическим движением. В будущем такие материалы найдут свое применение – например, в системах доставки лекарств, транспортных машинах микро- и наноразмерных объектов, мягкой роботике.

*Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия – междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем.

Биомиметические материалы – это синтетические (искусственные) материалы, которые имитируют природные материалы или следуют мотиву дизайна, заимствованному из природы.