Материал лекции публикуется с разрешения автора для размещения на данном сайте. При копировании и любом другом использовании лекции следует проконсультироваться с правобладателем материала, а также, помимо гиперссылки на данную публикацию, указать название и автора оригинального источника. Лекция "Нанонаука и нанотехнология. Подход самоорганизации." была публично прочитана 26 июня на пленарной секции Санкт-Петербургского научного форума "Наука и общество. Нанотехнологии: исследования и образование" — III Петербургская встреча лауреатов Нобелевской премии.
Лекция была посвящена обсуждению принципов и проявлению самосборки и самоорганизации в приложении к новым супрамолекулярным соединениям, которые могут найти практическое применение при создании сверхъемких (квантовых) элементов памяти, в спинтронике, при разработке искусственных "мышц" - силовых "наномашин". Основной химический акцент в лекции был сделан на рассмотрении процессов комплексообразования и его последствиях - селективном формировании сложных повторяющихся молекулярных структур и изменении конфигурации макромолекул, позволяющих целенаправленно формировать надмолекулярные ансамбли.
Для справки: ЛЕН, ЖАН-МАРИ (Lehn, Jean-Marie) (р. 1939) (Франция). Нобелевская премияпо химии, 1987 (совместно с Д.Крамом и Ч.Педерсоном).
Родился 30 сентября 1939 в Розхейме, старинном эльзасском городке. В 11-летнем возрасте поступил в среднюю школу, Коллеж Фреппель в Оберне, маленьком городке в 5 километрах от Розхейма. Обучение в школе с 1950 по 1957 было классическим: латынь, греческий, немецкий и английский языки, французская литература, и на последнем году обучения – философия. Однако он увлекся химией. В июле 1957 получил степень бакалавра в области философии, а в сентябре того же года – и в области естественных наук. В Страсбургском университете он начал с физики и химии. Органическая химия произвела на него такое впечатление, что он начал экспериментировать дома. В октябре 1960 приступил к выполнению диссертационной работы, связанной с изучением конформационных и физико-химических свойств тритерпенов. Он хорошо освоился с методом ядерного магнитного резонанса, что помогло ему в дальнейших исследованиях. Получив степень доктора философии в июле 1963, Лен год стажировался в лаборатории Р.Б.ВудвордаР.Б.Вудворда (Нобелевский лауреат, 1965) в Гарвардском университете, где принял участие в выдающемся предриятии Вудворда – синтезе витамина В12. Прослушал курс квантовой механики и выполнил первые вычисления у Р.ХофманаР.Хофмана, в 1964 оказался свидетелем и первых шагов по созданию правил Вудворда – Хофмана, приведших Р.Хофмана к Нобелевской премии (1981). После возвращения в Страсбург Лен начал самостоятельно работать в области физической органической химии, где мог сочетать приобретенный опыт по органической химии и квантовой теории со знанием физических методов. Это характеризовало работу его лаборатории, которая была создана после назначения Лена в 1966 ассистент-профессором химического факультета Страсбургского университета, до 1970. Предстояло сделать решающий шаг – найти точку приложения накопленного научного потенциала. Лен заинтересовался процессами, происходящими в нервной системе, связанными с распределением ионов натрия и калия относительно клеточной мембраны. Он намеревался изобрести химические вещества, которые воздействовали бы на процесс ионного транспорта. Поиски таких соединений привели Лена к созданию криптандов, работа над которыми началась в октябре 1967. В 1960-х американец Чарлз Педерсен случайно синтезировал соединение, названное краун-эфиром (crown – корона) за особенность его структуры – пустое внутри и подвижное кольцо из углеродных атомов, связанное через мостики кислородными атомами. Варьируя размер цикла, он установил что краун-эфиры способны избирательно связывать некоторые катионы, помещая их в центр своей «короны». Его открытие было расширено Леном и американцем Дональдом Крамом. Результатом параллельных усилий трех исследователей был синтез молекул, которые способны избирательно реагировать с другими молекулами, подобно тому, как ферменты связываются с другими природными молекулами. Лен расширил круг краун-эфиров, синтезированных Педерсеном, а также создал новые трехмерные структуры, названные криптандами (от греческого слова, означающего «скрытый»), которые также способны селективно связывать ионы металлов. Далее он приготовил молекулу, которая избирательно взаимодействует с ацетилхолином, важным передатчиком нервных импульсов. Его работы создали реальные предпосылки конструирования искусственных ферментов, которые, возможно, станут эффективнее их природных прототипов. Краун-эфиры и криптанды рассматривались сначала как модели систем, способных к избирательному связыванию. Оказалось, что они могут служить и моделями биологических транспортных систем. Далее, вскрылась роль таких соединений при моделировании ферментов. Краун-эфиры оказались первыми синтетическими аналогами природных веществ, осуществляющих перенос ионов щелочных металлов через клеточную мембрану. Эти переносчики, называемые ионофорами, действуют по тому же принципу, что и краун-эфиры, хотя и имеют более сложную структуру. Природные переносчики катионов относятся к так называемым переключаемым ионофорам. Пройдя внутрь клетки, они под влиянием определенных воздействий выбрасывают катион и быстро возвращаются за следующим. Скорость таких челночных операций может достигать нескольких тысяч в секунду, причем нередко они происходят против градиента концентрации. Эта область исследований быстро расширялась, развившись в то, что Лен в последствии назвал термином «супрамолекулярная химия». Супрамолекулярная химия изучает всесторонние аспекты взаимодействий молекулы «гостя» с молекулой «хозяина». Что же такое супрамолекулярная химия? Лен определил ее как химию межмолекулярных связей, изучающую ассоциацию двух и более химических частиц, а также структуру подобных ассоциаций. Она лежит за пределами классической химии, исследующей структуру, свойства и превращения отдельных молекул. Если последняя имеет дело, главным образом, с реакциями, в которых происходят разрыв и образование валентных связей, то объектом изучения супрамолекулярной химии служат почти исключительно невалентные взаимодействия: водородная связь, электростатические взаимодействия, гидрофобные силы, структуры «без связи». Как известно, энергия невалентных взаимодействий на 1–2 порядка ниже энергии валентных связей, однако, если их много, они приводят к образованию прочных и вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов. Именно сочетание прочности и способности к быстрым и обратимым изменениям – характерное свойство всех биологических молекулярных структур: нуклеиновых кислот, белков, ферментов, переносчиков частиц. За короткий срок супрамолекулярная химия развилась в обширную область знаний, включающую несколько направлений. Важнейшим направлением исследований последнего десятилетия стал синтез соединений, способных образовывать комплексы типа «гость-хозяин» с органическими молекулами. Это нужно для разделения и очистки органических веществ, их активации, для создания лекарственных препаратов нового поколения и решения множества других научных и прикладных задач. Эти исследования Лена были впоследствии отмечены Нобелевской премией (1987, совместно с Д.Крамом и Ч.Педерсеном) «за разработку и применение молекул со структурно специфическими взаимодействиями с высокой селективностью». В 1976 Лен начал новую серию исследований в области искусственного фотосинтеза, запасания и химического превращения солнечной энергии. Он был выдвинут на должность профессора в начале 1970 и стал полным профессором в октябре того же года. Два весенних семестра 1972 и 1974 Лен – приглашенный профессор Гарвардского университета, читал лекции и руководил научным проектом. В 1979 стал руководителем лаборатории в Коллеж де Франс. Главные усилия Лена в настоящее время направлены на изучение супрамолекулярной самоорганизации, построения и свойств «программированных» супрамолекулярных систем. Результаты научной работы Лена, которую вместе с ним в течение двадцати лет выполняли около 150 научных сотрудников из более чем двадцати стран, были изложены в 400 публикациях и обзорных статьях. На протяжении нескольких лет Лен работал в качестве приглашенного профессора в других институтах: в Федеральном технологическом институте в Цюрихе, университетах Кембриджа, Барселоны и Франкфурта.
 |
|
|
|
здорово!