Викривлення допомогло нанографену розчинитися у воді

Хіміки з Японії і США отримали викривлений нанографен, в якому в гексагональну структуру вбудовуються додаткові кільця, що складаються з 5 або 7 атомів вуглецю. За рахунок цього у нанографена сильно збільшується розчинність у воді, що дозволяє за допомогою нього вбивати ракові клітини і отримувати люмінесцентні зображення біологічних об'єктів, пишуть вчені в.

Серед усіх модифікацій графена окремий інтерес представляє нанографен - невеликі ділянки графена, що складаються всього з пари десятків вуглецевих шестикутників. Через те, що на краях нанографенових молекул атоми вуглецю завжди пов'язані з різними органічними заступниками, такі структури займають проміжний стан між ароматичними органічними сполуками і однією з неорганічних модифікацій вуглецю (схоже положення і у молекул фуллерену, що складаються з відносно невеликої кількості атомів вуглецю, пов'язаних за допомогою системи сполучених подвійних зв'язків в єдину структуру). Саме завдяки поєднанню можливості модифікації органічними функціональними групами з деякими фізичними властивостями, характерними для «великого» графена, нанографений перспективний, наприклад, для виготовлення елементів органічних електронних пристроїв.

Основна проблема нанографена полягає в тому, що при отриманні його з графіту дуже складно контролювати точний органічний склад молекул, а при синтезі з органічних сполук утворюються плоскі частинки, які схильні до агрегації і тому погано розчиняються у воді, утворюючи структури у вигляді стосунків. Саме низька розчинність у воді, зокрема, не дає використовувати нанографен для біологічних і медичних додатків, у тому числі для отримання зображень біологічних об'єктів, а також для фотодинамічної або фототермічної терапії при лікуванні ракових захворювань.

Хіміки з Японії і США під керівництвом Кенічіро Ітамі (Kenichiro Itami) з Нагойського університету запропонували для синтезу водорозчинного нанографена отримувати його не в плоскому вигляді, а в викривленому. Це не дає молекулам у водних розчинах скластися в стоси і агрегувати. Щоб отримати молекули нанографена в викривленому вигляді, хіміки ввели в його структуру цикли, що складаються з непарного числа атомів. Аналогічним чином влаштована і структура фуллеренів, в яких тривимірна молекула формується з шестиченних і п'ятичних циклів.

Для синтезу викривленого нанографена хіміки використовували реакцію борилювання, за допомогою якої спочатку отримали невелику молекулу з п'ятикутним вуглецем в центрі, а після цього - додатково збільшили її, ввівши в структуру молекули ще п'ять семикутних циклів. У результаті вчені отримали три модифікації викривленого нанографена з різним типом заступників, один з яких був гідрофільним і збільшував розчинність сполук у воді.

Отримані гідрофільні молекули нанографена дійсно виявилися розчинними не тільки в органічних розчинниках, але і у воді. Як і очікувалося, ці водні розчини мають люмінесцентні властивості, поглинаючи в ультрафіолетовій частині спектра і випромінюючи у видимому діапазоні. Щоб показати, що ці молекули дійсно можна використовувати для біомедичних додатків, вчені використовували їх для отримання мікрофотографій ракових клітин лінії HeLa за допомогою конфокальної мікроскопії, а також перевірили можливість використання отриманих вуглецевих молекул для фотодинамічної терапії. Виявилося, що в достатній концентрації (більше одного мікромоля на літр) при опроміненні лазером частинки нанографена призводять до загибелі ракових клітин.

Вчені сподіваються, що в майбутньому такий викривлений водорозчинний нанографен буде широко використовуватися для біологічних і медичних застосувань, зокрема для створення фоточутливих сенсорів, для фотодинамічної та фототермічної терапії при лікуванні ракових захворювань.

Саме наявність п'ятикутних граней в усіченому ікосаедрі робить можливим існування об'ємної молекули фуллерена C₆₀. Таку ж геометрію має, наприклад, футбольний м'яч. Цікаво, що на дорожніх знаках у Великобританії для позначення стадіону використовують символ футбольного м'яча, що складається тільки з шестикутників, який з точки зору геометрії неможливий. А фуллерен складу C₅₀, незважаючи на занадто велику кількість у своїй структурі п'ятичних циклів, володіє властивостями часткової ароматичності, яка робить молекулу стійкою.