Ученые обнаружили молекулы, которые после растяжения и возврата в исходное состояние оказываются меньше по размерам, чем прежде. Кроме того, они способны оставаться в так называемом переходном состоянии, которое химики ранее не могли наблюдать из-за его скоротечности, в десятки тысяч раз дольше.
Возвратный механизм: Упругие молекулы
Молекулярная динамика 1,3-дирадикала Стадии перехода молекулы от «разомкнутой» формы в форму с замкнутым «кольцом» (наиболее вероятный из возможных вариантов).

Исследователи Стивен Крейг (Stephen Craig) и Джереми Ленхардт (Jeremy Lenhardt) систематически изучают различные полимеры в поисках молекул, которые могут пригодиться для создания «самовосстанавливающихся» материалов. Они надеются обнаружить полимерные молекулы, способные при растяжении «запускать» некоторую химическую реакцию, позволяя материалу ремонтировать себя самостоятельно.

Представьте себе полиэтиленовую пленку, способную «зарастить» любой прокол прежде, чем отверстие станет видно невооруженным глазом. Для этого молекулы по краям повреждения должны каким-то образом изменить свои свойства и начать действовать, создавая «мостики», затягивающие отверстие. (О материале, способном «исцелить себя» под действием солнечного света, читайте — «Исчезающие царапины», а о самовосстанавливающихся автомобильных покрытиях — «Крыло против гвоздя»).

В поисках полимеров, обладающих полезными для решения этой задачи свойствами, Ленхардт использовал установку, которая создает переменное давление раствора, содержащего молекулы полимера. Аппарат сжимает раствор с частотой 20 000 раз в секунду, вызывая появление крошечных пузырьков, которые «цепляют» концы молекул и растягивают их на миллиардную долю секунды. «Вообразите две байдарки, связанные веревкой, — объясняет Крейг. — Когда первая из них входит в зону порогов и ускоряется, веревка растягивается».

Ленхардт раз за разом повторял эксперимент, записывая характеристики различных видов полимеров. Наблюдая молекулы гем-дифлуороциклопропана (gem-difluorocyclopropane, gDGC), содержащие «кольцо» из атомов, он с удивлением обнаружил, что некоторые из молекул после выхода из «растянутого» состояния стали гораздо короче, чем были до растяжения.

Но это оказалось не единственной интересной особенностью gDGC. Эти молекулы также гораздо дольше обычного оставались в «растянутом» состоянии 1,3-дирадикала. Когда молекула участвует в химической реакции, она проходит некое промежуточное состояние, и остается в нем от 10 до 100 фемтосекунд. Этот промежуток времени слишком короткий, чтобы можно было наблюдать происходящее с молекулой, поэтому химики вынуждены судить о переходных состояниях по тому, что было до и стало после. Однако исследования Крейга и Ленхардта показали, что наблюдаемые ими 1,3-дирадикалы и есть одно из этих мимолетных переходных состояний, в которых молекулы были захвачены на несколько наносекунд — в десятки тысяч раз дольше, чем обычно.

«Это может оказаться окном, через которое можно взглянуть на молекулы в переходных состояниях, — говорит Крейг. — Мы можем удержать такие состояния достаточно долго, чтобы изучить их особенности с разных сторон». Ученые уже начали первые исследования в этом направлении.

Переходное состояние характеризуется высоким уровнем энергии, а это именно то, чего система стремится избежать. Именно поэтому молекулы не задерживаются в переходном состоянии. Исследователям остается только догадываться, каким оно было. «Но возможно, во многих случаях гадать больше не придется», — говорит Ленхардт.

Результаты работы опубликованы в журнале Science.

По пресс-релизу Duke University.