Всё из ниоткуда

Принцип «природа не терпит пустоты» — один из базовых во вселенной. Но ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН действуют вопреки ему: они разрабатывают материалы, в которых её как можно больше — пористые металл-органические координационные полимеры. Как делаются такие соединения и зачем они нужны, рассказал директор института, член-корреспондент РАН Владимир Петрович Федин.

Как нетрудно догадаться из названия, структуры, о которых идёт речь, построены из атомов металла и органических фрагментов, связывают их в трехмерную конструкцию, пористую внутри. Самое важное здесь — пустота. Её можно использовать для хранения и транспортировки различных веществ или даже создавать в ней новые.

Материалы подобного плана были получены только в конце XX века. В 1991 году американский ученый Томар Яге показал, что можно получать пористые композиционные полимеры путем соединения атомов цинка с карбоксилатными легатами — остатками карбоновых кислот (например, уксусной). С тех пор это направление стало развиваться, и многие химические лаборатории мира начали проводить подобные опыты, пытаясь комбинировать атомы металла и фрагменты органических веществ.

Варьируя длину составляющих и их форму, можно получать огромное число блоков, которые по-разному друг с другом соединяются. Ажурные конструкции похожи на строительные леса. Легаты — как металлические подпорки. От их длины зависит, насколько далеко друг от друга находятся слои. Чем больше свободного пространства, тем «вместительнее» получается полимер.

Самое последние достижение в этой области — кристалл, в котором объем пустот составляет 90%. Кубический сантиметр такого материала весит всего четверть грамма (в 4 раза легче воды), а площадь его поверхности почти в два раза превосходит размер футбольного поля. «То, чем мы занимаемся — это наука XXI века, — утверждает Владимир Федин. — Сейчас парадигма химии сильно меняется: от изучений реальных молекул она переходит к пустому пространству».

Зачем нужны такие материалы?

Для энергетики

Будущее — за водородом. Он широко доступен и позволяет получать топливо, не загрязняющее окружающую среду. Однако этот газ по своим свойствам близок к идеальному, а значит, при нормальных условиях всего 2 грамма будут занимать объем 22,4 литра. Соответственно возникает проблема хранения и транспортировки этого вещества.

По подсчётам учёных, автомобиль, который будет работать на водороде, должен иметь на борту в качестве заправки 4 кг топлива (чтобы проехать 400 км). Если брать это количество газа в его неизмененном виде, то даже под давлением 200 атмосфер бочка, где он находится, будет сама размером с машину. Рассмотрим другой вариант: попробуем залить в автомобиль жидкий водород. Тогда размеры ёмкости становятся чуть меньше, однако, такое вещество хранится только при очень низких температурах. А это значит, что к бочке придется приделать маленький заводик, её охлаждающий. Сделать ёмкость приемлемого размера помогут гидриды (сплавы водорода с металлами и некоторыми другими веществами), но в этом случае её масса будет составлять 400 кг — с таким грузом далеко не уедешь. Вот и получается, что эти препятствия не позволяют нам использовать топливо будущего.

Решить проблему способны современные металл-органические координационные полимеры. Благодаря своей пористости они вмещают в себя большое количество водорода. Одно из соединений, созданных в ИНХ СО РАН, способно хранить 7% этого вещества, что уже превышает предел, к которому стремится Департамент энергетики США (6%).

Для медицины

Почти все современные лекарственные вещества хиральны (их молекулы имеют две формы, представляющие собой зеркальные отражения, которые не совмещаются друг с другом в пространстве). А это значит, внешне они отличаются друг от друга так же, как правая и левая рука, при том, что их воздействие на человеческий организм может быть прямо противоположным. Например, один изомер лечит туберкулез, а другой, похожий, только иной конфигурации (будто бы отраженный в зеркале) — вызывает слепоту. Или первый помогает избавиться от артрита, а второй оборачивается тяжелым отравлением. Один положительно воздействует на некоторые формы онкологических заболеваний, другой, наоборот, способствует росту раковых клеток. Более того, они даже пахнуть могут по-разному: например, первый — перечной мятой, у второй — тмином (всё потому, что вкусовые рецепторы, находящиеся у нас в носу, тоже хиральны).

Разумеется, для медицины важно эти изомеры точно разделять (нельзя допустить, чтобы в лекарство попал не тот, что надо). Как вы уже догадались, с этой задачей отлично справляются металл-органические пористые координационные полимеры — они способны включать в себя только молекулы определенной конфигурации (можно подобрать, какой). Ошибиться здесь практически невозможно, ведь структура этих материалов — как на ладони. «Мы берем простою стеклянными колонку, заполняем ее нашими полимерами, наливаем раствор, содержащий изохимическую смесь, и ждем, когда они её отфильтруют. В результате у нас получается со 100%-ной точностью разделить два разных изомера», — рассказывает Владимир Петрович.

Пористые металл-органические каркасы способны решить ещё одну проблему — адресной доставки лекарств. Когда лечебное вещество попадает в организм, его сразу же начинают атаковать различные ферменты. Пока оно доберется до того места, в котором нужно оказать терапевтический эффект — от него уже ничего не останется. Однако, если спрятать лекарство в пустотах наших структур (которые в этом случае играют роль биологических капсул), можно доставить его в нужный орган и там освободить. В результате получится существенно сократить дозы медикаментов, необходимые для преодоления болезни, а значит, и снизить их вредное воздействие на организм. Рынок хиральных лекарств во всем мире сейчас оценивается примерно в 100 миллиардов долларов в год.

Для промышленности

Металл-органических пористые координационные полимеры, которые конструируют ученые из ИНХ СО РАН, относятся к области нанохимии. Взаимодействие веществ осуществляется прямо внутри заключенного в этих структурах пустого пространства. Молекулы там организуются таким образом, что реакция идет гораздо эффективнее, в результате чего получаются материалы с новым набором свойств.

Например, в совместной работе с Институтом катализа им. Г. К. Борескова СО РАН удалось создать пористый металл-органический координационный полимер, который является прекрасным катализатором для получения смеси циклогексаноЛа и циклогексаноНа, использующейся для производства капрона и массы других полезных материалов. С его помощью можно достигать 25%-ной степени приращения вещества (для сравнения: у катализаторов, которые используются сейчас, она всего 10%). Мировая промышленность выпускает около 15 тонн смеси циклогексанола и циклогексанона в год. Открытие новосибирских ученых позволит сделать этот продукт значительно дешевле.

Перечисленное — только малая часть из широкого спектра применений металл-органических пористых полимеров. С их помощью можно осуществлять катализ, разделять и транспортировать газы, решать экологические проблемы (например, улавливать СО2 на выходе из фабрик, где сжигаются различные углеводороды) и делать многое другое. В заключение академик заметил, что эта область науки очень молодая (ей нет и 20 лет), а значит, в перспективе применений пористых металл-органических полимеров может быть ещё больше.

Фото: Ангелина Иванова
Источник: COPAH.info