Японские химики под руководством Макото Фудзиты из Университета Токио синтезировали методом самосборки многогранник рекордной сложности, ранее не встречавшийся ни в природных, ни в искусственных объектах. Самопроизвольный процесс привел к сборке геометрической фигуры — аналога многогранника Голдберга, состоящего из 144 малых молекул, которые объединены в квадраты и треугольники. Среди возможных применений материала называется адресная доставка лекарств, заключенных в полости объекта. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает редакционный материал журнала.

Самосборка — самопроизвольный процесс, в ходе которого происходит упорядочение частиц и организация их в симметричные объекты. Благодаря этому белковые оболочки многих вирусов — капсиды — обладают правильными геометрическими формами (к примеру, икосаэдрические «головки» бактериофагов). Самоорганизация, по сравнению с методами пошагового наращивания каркасов, позволяет гораздо быстрее получать достаточно сложные конструкции.

Среди традиционных объектов самосборки — правильные и полуправильные многогранники. В простейшем случае, для того, чтобы обеспечить условия для самосборки требуется подобрать компоненты, которые будут играть роль вершин и ребер многогранников. Химические взаимодействия заставляют компоненты постепенно слипаться, а стремление получить как можно меньшую потенциальную энергию структуры запускает перестройку скелета и его стремление к симметрии. 

Строение правильных и полуправильных многогранников, которые были синтезированы (или, в случае M60L120, планировалось синтезировать). Daishi Fujita et al. / Nature, 2016

Группа Макото Фудзиты использует стратегию сборки, в которой роль вершин выполняют атомы палладия, а ребра представляют собой изогнутые органические молекулы, способные связываться двумя своими концами с металлом. С ее помощью химики уже синтезировали октаэдры (Pd6L12), кубоктаэдры (Pd12L24), ромбокубоктаэдры (Pd24L48) и икосододекаэдры (Pd30L60). В новой работе ученые пытались получить ромбоикосододекаэдр (Pd60L120), состоящий из 12 правильных пятиугольников, 30 квадратов и 20 треугольников.

Строение аналога многогранника Голдберга, который химики получили путем самосборки вместо ромбоикосододекаэдра. Daishi Fujita et al. / Nature, 2016

Химики добились условий, в которых палладий очень медленно взаимодействовал с селенорганическими лигандами — время роста кристаллов достигало двух месяцев. Однако рентгеноструктурный анализ полученных материалов показал, что вместо ромбоикосододекаэдра образовались многогранники, состоящие из восьми треугольников и 24 квадратов (Pd30L60). Их симметрия и топология напоминает собой многогранники Голдберга, состоящие из ровно 12 правильных пятиугольников и меняющегося числа правильных шестиугольников, за исключением того, что в каждой вершине сходятся не три, а четыре ребра.

Строение многогранника Pd48L96. Daishi Fujita et al. / Nature, 2016

Теоретическое моделирование показало, что в ряду многогранников Голдберга из треугольников и квадратов большей устойчивостью должна обладать более крупная конструкция из 48 вершин и 96 ребер. Ученые с помощью рентгеновских методов отобрали кристаллы, характеристики которых не были похожи на Pd30L60 и подтвердили, что среди образовавшихся каркасов были и Pd48L96. Химики отмечают, что расшифровка картин рентгеновского рассеяния для таких крупных каркасов осложнена — из-за большого объема полостей эти структуры больше напоминают кристаллы белков. 

Электронная плотность в многограннике, полученном самосборкой. Всего в нем 48 вершин, 96 ребер, 8 треугольных граней и 42 квадратных. Daishi Fujita et al. / Nature, 2016

Еще одним распространенным подходом к самосборке различных структур является техника ДНК-оригами. Она основана на подборе коротких комплементарных цепочек, способных склеивать в нужных местах большие молекулы ДНК. Недавно с помощью этой техники химики воспроизвели картину Ван Гога «Звездная ночь». Также мы сообщали о том, химики из Университета Тунцзи (Шанхай), синтезировали с помощью традиционной самосборки небольших молекул фрактальную салфетку Серпинского. 

Автор: Владимир Королёв