Междисциплинарные исследования в области нанотехнологий, молекулярной физики, оптики, электроники и биологии открывают для науки новые пути в решении актуальных проблем, когда становится невозможным разрешить их с помощью узкодисциплинарного подхода.
Ученые Южно-Уральского государственного университета, Prof., Dr.rer. nat. Вольфганг Хаазе и Dr. rer. nat, Федор Подгорнов (Лаборатория молекулярной электроники), занимаются исследованием взаимодействия золотых наночастиц с мезофазными материалами и возможностей их применения в электронике, биотехнологиях и альтернативной энергетике. Их взаимодействию с хиральными мезофазными материалами посвящена научная статья, опубликованная в одном из самых престижных журналов в области прикладной физики — «Applied Physics Letters».
Перспективы исследования в фармакологии
«Хиральность — одна из основных концепций в современной науке. Типичным хиральным объектом является молекула ДНК или, например, правая и левая руки, которые не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением операциями вращения или перемещения, — рассказывает Федор Валерьевич. — Хиральные и ахиральные материалы по-разному взаимодействуют с поляризованным оптическим излучением. Упрощенно данное явление можно объяснить тем, что хиральная молекула представляет из себя молекулярную катушку индуктивности, а ахиральная молекула — молекулярный провод. Поэтому при освещении хиральной молекулы электромагнитной волной вклад в ее электрическую поляризацию будут вносить как электрическая, так и магнитная компоненты падающего излучения. Это явление лежит в основе спектроскопии циркулярного дихроизма (Circular Dichroism (CD) Spectroscopy), или зависимости разницы поглощения светового излучения с право- и левоциркулярной поляризацией от длины волны. Оно находит применение в биологии и фармацевтике для идентификации хиральности молекул. Данная информация критически важна для создания новых медицинских препаратов и при производстве лекарств, где важно гарантированно отделить правые молекулы от левых, поскольку они могут радикально различаться по физическим, химическим и биологическим свойствам. Например, кокаин с правыми молекулами — наркотик, а с левыми — безобидное вещество».
.jpg)
Демонстрация хирального объекта
В опубликованной статье учеными было экспериментально показано, что добавление золотых наночастиц в хиральный мезофазный материал приводит к существенному изменению спектра циркулярного дихроизма в оптической области. Более того, была показана зависимость изменений от концентрации наночастиц. Результаты данной работы могут найти применение в различных областях современной науки. Например, они могут быть использованы для локального анализа распределения лекарств, экспресс-анализа и измерения малых концентраций различных хиральных веществ в медицинских препаратах и т.д.
Будущее — за молекулярной электроникой
Следует особо подчеркнуть перспективность полученных результатов для применения в области молекулярной и биоэлектроники. Свойства хиральных молекул могут быть использованы для создания элементной базы в молекулярной электронике, в частности — молекулярных катушек индуктивности с модулируемой добротностью.
«Вопрос заключается в том, как создать катушку индуктивности на молекулярном уровне и промоделировать ее добротность. Мы доказали, что это можно выполнить с использованием золотых наночастиц. Комбинируя молекулы с различными свойствами, мы можем создать электрические схемы, подобные схемам классической электроники, но на молекулярном уровне. Преимущество данного подхода заключается в том, что он позволяет нам работать на очень низком уровне организации материи и создавать сверхкомпактные электронные схемы, которые можно интегрировать, например, в тело человека».
Диагностирование и коррекция организма человека с помощью устройств молекулярной и биоэлектроники в «режиме онлайн» — только одно из возможных применений полученных результатов. Непрерывный анализ параметров органов человека, активности головного мозга и контроль протекающих процессов на молекулярном и клеточном уровне необходимы для предупреждения серьезных заболеваний, увеличения качества жизни и ее продолжительности. Это один из главных вопросов, стоящих сегодня перед наукой, считает Федор Подгорнов.