Химики заперли одиночную молекулу воды в углеродную "клетку"

28 июля 2011 года

Японские химики с помощью метода "молекулярной хирургии" смогли поместить одиночную молекулу воды в внутрь фуллерена - углеродной молекулы, похожей на футбольный мяч, собранный из 60 атомов углерода, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Метод "прорезания люка" в фуллерене, а затем его "закрытия", созданный Кеи Куротоби (Kei Kurotobi) и Ясудзиро Мурата (Yasujiro Murata) из Института химических исследований в Киото, может быть использован для изучения свойств изолированных молекул других веществ, а также для "операций" на фуллеренах с более высоким числом атомов углерода.

Необычные свойства воды, такие как высокая температура плавления и кипения, низкая вязкость, способность проявлять себя и как кислота, и как щелочь, связаны с тем, что каждая молекула воды образует с четырьмя соседними так называемые водородные связи. Изолированные молекулы должны обладать принципиально другими свойствами, однако "поймать" отдельную молекулу очень сложно.

Авторы статьи отмечают, что в качестве "тюрьмы" для одиночной молекулы может подойти фуллерен - одна из искусственно созданных форм углерода, которые представляют собой сферические молекулы, состоящие из атомов углерода - 60, 70, 90 и более. Размер полости "минимального" фуллерена С60 составляет 0,37 нанометра, в то время как размер молекулы воды равен примерно 0,1 нанометра.

К настоящему моменту уже созданы методы внедрения в фуллерены металлов, газов, например, азота. Для этого использовались "жесткие" способы, такие как дуговые разряды, высокое давление и температура. Однако они не подходят для того, чтобы поместить в фуллерен одну небольшую молекулу.

Куротоби и Мурата использовали метод "молекулярной хирургии", с помощью которого можно создать "люк" в молекуле фуллерена, ввести сквозь него молекулу, а затем закрыть. Ранее таким образом удавалось поместить в углеродную клетку некоторое количество молекул водорода.

"Мы... использовали серию органических реакций, с помощью которых удалось полностью изолировать молекулу H2O в закрытом пространстве", - говорится в статье.

Ученые "открывали люк", воздействуя на фуллерен C60 производными пиридазина при температуре 260 градусов, затем под высоким давлением (9 тысяч атмосфер) туда помещалась молекула воды, и люк закрывался при температуре 360 градусов под действием толуэна и оксида алюминия.

Затем химики убедились, что им удалось действительно получить "запертую в клетку" молекулу воды с помощью метода рентгеновской кристаллографии. При этом, как сообщают авторы исследования, вода не покидала фуллереновый порошок даже при температуре 420 градусов и в условиях вакуума.

Ученые отмечают, что созданный ими метод позволит исследовать свойства единичных молекул воды, а также создать способы помещать другие молекулы в C60, C70, и фуллерены более высоких порядков.