Технология получения молекулярных структур

Предположения о том, что молекулы могут обладать способностью проводить электрический ток, высказывали Р. Малликен и А. Сент-Дьерди еще на рубеже 50-х годов прошлого века, но обычно возникновение молекулярной электроники принято связывать с опубликованием в 1974 году сотрудниками фирмы IBM А. Авирамом и М. Ратнером работы, в которой была выдвинута идея молекулярного выпрямителя (диода). В этой же работе они предложили использовать органические молекулы в качестве элементной базы микроэлектроники.

Реальные эксперименты в этой области начали проводиться только в конце 80-х годов, когда развитие технологии позволило преодолеть основные препятствия, стоявшие на пути реализации таких молекулярных устройств. Прежде всего, это чрезвычайно малые размеры объектов. До изобретения сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) наблюдение, и, тем более, изучение электрических характеристик отдельных одиночных молекул достаточно малого (~ 1 нм) размера было практически невозможно. Другая проблема использования отдельных молекул для создания наноустройств – отсутствие соответствующей схемотехники. Молекулярные устройства должны представлять собой сложные разветвленные цепи из различных атомных группировок. Методы синтеза таких устройств пока еще не разработаны. Основные надежды здесь связаны с уникальными результатами, достигнутыми в последние время в области супрамолекулярной химии.

Супрамолекулярная химия – новая, стремительно развивающаяся область естествознания на стыке между химией, биологией, физикой. Ее основы заложил французский химик (лауреат Нобелевской премии за 1987 год) Жан-Мари Лен, а сам термин «супрамолекулярная химия» (лат. supra –приставка, обозначающая нахождение сверху, над чем-либо) появился впервые в его работах в 1978 году. Этот раздел науки занимается синтезом, анализом строения, изучением свойств и поведения в химических реакциях не отдельных молекул, а их ансамблей, в которых молекулы связаны слабым межмолекулярным взаимодействием. Проще говоря, это своеобразная молекулярная социология, которую интересует не отдельный индивидуум, а поведение индивидуума в составе различных коллективов, а также свойства, которыми обладает коллектив как некое самостоятельное целое. Область приложений супрамолекулярной химии очень обширна – от молекулярной электроники (органические металлы, полупроводники, сверхпроводники, молекулярные компьютеры и т. д.) до фармацевтической химии (синтез и модифицирование свойств лекарственных препаратов, обеспечение их адресной доставки в нужную часть организма, лечение генетических заболеваний).

Точно так же, как взаимодействие атомов химических элементов приводит к образованию различных молекул, так и взаимодействие молекулярных компонентов может приводить к образованию супрамолекулярных комплексов, из которых, в свою очередь, могут образовываться более сложные биологические системы. На рис. 3.52 приведена схема иерархии материи, из которой понятно место, занимаемое супрамолекулярной химией. Строго говоря, с физической точки зрения полная схема иерархии материи должна включать в себя также элементарные частицы и атомное ядро, но эти объекты к химии не относятся.

Рис. 3.52. Схема иерархии материи

Таким образом, супрамолекулярные системы имеют особую нишу, свой уровень в иерархии материи. Вслед за атомным следует молекулярный уровень с ковалентными связями между атомами. Далее – уровень супрамолекулярный с нековалентным (межмолекулярным) связыванием молекул. В супрамолекулярных системах реализуются такие принципы организации и функционирования материи, как молекулярное распознавание, селективное связывание, взаимодействие рецептор-субстрат, трансмембранный перенос, супрамолекулярный катализ. На основе молекулярного распознавания осуществляется самоорганизация, программируемая самосборка супрамолекулярных систем, которые максимально использовались в ходе становления биологических объектов. Ключевые структуры биологических систем, к примеру, двойные спирали нуклеиновых кислот, мембраны клеток, ферменты, являются супрамолекулярными системами.

Супрамолекулярные ансамбли обладают вполне определенными структурными, конформационными, термодинамическими, кинетическими и динамическими свойствами. В них могут быть выделены различные типы взаимодействий, различающиеся своей силой, направленность, зависимостью от расстояний и углов: координационные взаимодействия с ионами металлов, электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, донорно-акцепторные взаимодействия и т. д.

Межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы.

Супрамолекулярную химию можно разделить на две широкие, частично перекрывающиеся области, в которых рассматриваются соответственно:

1) супермолекулы – хорошо определенные, дискретные олигомолекулярные образования, возникающие за счет межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов (рецептора и субстратов) в соответствии с некоторой «программой», работающей на основе принципов молекулярного распознавания;

2) супрамолекулярные ансамбли – полимолекулярные ассоциаты, возникающие в результате спонтанной ассоциации неопределенно большого числа компонентов в специфическую фазу, характеризуемую более или менее определенной организацией на микроскопическом уровне и макроскопическими свойствами, зависящими от природы фазы (пленка, слой, мембрана, мезоморфная фаза, кристалл и т. д.).

На современном этапе развития неорганической супрамолекулярной химии наибольшее внимание специалистов привлекает создание структурных ансамблей, обладающих особыми свойствами, например, идеально упорядоченные ансамбли, строение которых определяется структурой каркаса «хозяина» (рецептора), а функциональные свойства – природой «гостей» (субстратов). Это новое направление неорганической супрамолекулярной химии связано с разработкой процессов контролируемой самосборки упорядоченных супрамолекулярных ансамблей в условиях высокотемпературных реакций, когда реакционная система сложна, гетерофазна и не поддается анализу. Основой таких процессов служит взаимная подстройка «гостя» и «хозяина» – «гость» является шаблоном для формирования определенной технологии и геометрии каркаса «хозяина», и при этом сам изменяет свои параметры, подчиняясь требованиям «хозяина». При соблюдении комплиментарности «гостя» и «хозяина» происходит формирование идеально упорядоченных супрамолекулярных ансамблей, в структуре которых «гости» различного состава распознают «хозяина» и занимают предназначенные им специфичные места.