Когда предметы вибрируют, они издают звуки. Молекулы тоже вибрируют, но на частотах, которые человеческое ухо не способно уловить. Их химические связи растягиваются, изгибаются и скручиваются с характерными скоростями, соответствующими инфракрасному диапазону электромагнитного спектра. Инфракрасную спектроскопию, фиксирующую, как свет возбуждает эти колебания, любят сравнивать с тем, что мы «подслушиваем» голос самой молекулы.

У каждой молекулы есть свой неповторимый тембр — вибрационный «отпечаток пальца», который отражает не только её химическое строение, но и наноразмерную среду, её окружающую. Однако голоса отдельных молекул настолько слабы, что традиционная инфракрасная спектроскопия способна уловить лишь хоровое пение миллионов или даже миллиардов молекул одновременно.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Шаовея Ли нашли способ услышать соло одной молекулы. Они используют метод, который называют инфракрасно-интегрированным сканирующим туннельным микроскопом (IRiSTM). В нём сочетается инфракрасное оптическое возбуждение и сканирующая туннельная микроскопия — техника, известная по способности визуализировать отдельные атомы и молекулы благодаря измерению квантового туннелирования электронов между острым металлическим наконечником и поверхностью.

Химики десятилетиями мечтали управлять реакциями, точечно вкладывая энергию в единую химическую связь и направляя молекулу по заранее заданному пути. Инфракрасная спектроскопия одной-единственной молекулы делает эту мечту на один шаг ближе к реальности.

«Инфракрасная спектроскопия — один из наших самых мощных инструментов, но до сих пор она всегда была комплексным методом, — говорит доцент кафедры химии Шаовей Ли. — Теперь мы можем увидеть на самом фундаментальном уровне, как энергия вибраций связана с движением молекул».

Природный газ, состоящий в основном из метана, этана и пропана, широко используется для энергии, но вызывает выбросы парниковых газов. Его стабильность затрудняет прямое преобразование в химические продукты, что ограничивает экологичное использование в промышленности.

Команда под руководством Мартина Фаньянаса из CiQUS (Университет Сантьяго-де-Компостела) разработала инновационный метод, опубликованный в Science Advances. Он преобразует метан и другие компоненты в универсальные "строительные блоки" для синтеза фармацевтических препаратов и бытовой химии. Впервые синтезирован диметэстрол (нестероидный эстроген) непосредственно из метана.

Метод основан на аллилировании: присоединение аллильной группы к молекуле газа для создания "якоря" для дальнейших реакций. Проблема — побочные продукты хлорирования — решена супрамолекулярным катализатором на основе аниона тетрахлорферрата, стабилизированного катионами коллидиния. Он модулирует радикалы, подавляет нежелательные реакции и активирует алканы фотокаталитически.

Метод экологичен: использует железо (дешевый, нетоксичный металл), работает при умеренных температурах и давлении под LED-подсветкой, снижая затраты и воздействие на окружающую среду.

В дополнительном исследовании (Cell Reports Physical Science) команда соединяет газы с хлоридами кислот для получения кетонов за один этап. Это продвигает устойчивую химию, заменяя нефтехимию природным газом, и подтверждает лидерство CiQUS (аккредитован правительством Галисии).

Когда, по оценкам, нынешний способ производства чего-либо потребляет ошеломляющие 1-2% годового мирового энергопотребления, это означает, что нам необходимо что-то изменить. В процессе производства Haber-Bosch образуется большое количество аммиака (NH3) — ценного химического соединения, которое находит широкое применение в таких областях, как сельское хозяйство, технологии и фармацевтика, — и при этом потребляется много энергии.

Исследовательская группа из Университета Тохоку внесла значительный вклад в разработку альтернативного метода преобразования вредных нитратов, содержащихся в воде, в аммиак, что позволяет решать как экологические, так и энергетические проблемы.

Их результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Благодаря использованию двухгидроксидных катализаторов на основе NiCuFe (LDH) в исследовании был предложен эффективный метод очистки загрязненной воды. Это означает более чистую воду, снижение загрязнения окружающей среды и более экологичные удобрения и энергетические ресурсы, которые непосредственно влияют на здоровье населения, продовольственную безопасность и защиту климата.

В настоящее время по технологии Haber-Bosch производится почти весь аммиак, производимый промышленным путем в мире, но у нее есть серьезные недостатки. Этот процесс не только потребляет непомерное количество энергии, но и приводит к выбросам углекислого газа в качестве побочного продукта, что делает его еще более вредным для окружающей среды.

Реакция электрокаталитического восстановления нитрата (NO3−) (NitRR) - это альтернативный способ получения аммиака, который существует уже некоторое время, но так и не получил широкого распространения из-за своей медлительности и неэффективности. Однако исследователи из Передового института исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR) нашли способ преодолеть это.

"Мы создали нанолисты NiCuFe-LDH с участками Ni и Cu, чтобы облегчить процесс электровосстановления", - объясняет профессор Хао Ли (WPI-AIMR). "NitRR превратился из слишком неэффективного, чтобы его можно было даже рассматривать, в фарадеевский КПД, равный 94,8%".

Они использовали вычислительный и теоретический анализ, чтобы объяснить механизм этой реакции, в которой в качестве основных компонентов используются добавленные Cu и Ni.

Кроме того, они протестировали Zn-NO3−батарею с использованием нанолистов NiCuFe-LDH, чтобы продемонстрировать ее реальную эффективность. Он показал очень хорошие результаты: фарадеевский КПД составил 85,8%, высокий выход аммиака и настолько высокую плотность мощности, что превзошел большинство предыдущих отчетов (12,4 МВт/см2).

Следующие шаги в рамках этого проекта будут направлены на расширение масштабов и углубление понимания механики. С практической точки зрения, эффективность катализатора должна быть подтверждена в реальных системах с загрязненной нитратами водой и в реакторах непрерывного действия, чтобы продемонстрировать промышленную осуществимость.

Таргетные ковалентные ингибиторы (TCI) представляют собой многообещающий класс препаратов для лечения различных заболеваний, включая рак легких и COVID-19. Эти низкомолекулярные соединения образуют ковалентные связи с белками-мишенями, что позволяет им эффективно подавлять их активность.

Ключевым показателем для TCI является коэффициент эффективности инактивации, который указывает на скорость связывания с мишенью. Однако новое исследование Университета в Буффало показало, что слишком высокая скорость связывания может снижать общую эффективность препарата. По мере увеличения скорости связывания эффективность TCI начинает падать, что делает время связывания менее надежным показателем перспективности препарата.

Исследование, опубликованное в журнале Journal of Medicinal Chemistry, акцентирует внимание на необходимости балансировки эффективности инактивации с другими параметрами. Ведущий автор, доктор философии Дэвид Хеппнер, подчеркивает, что следование только показателю эффективности инактивации может привести к выбору неэффективных соединений.

Команда исследователей протестировала 14 молекул на их способность воздействовать на рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), который участвует в клеточном росте и может быть мутирован при раке. Они обнаружили, что, хотя TCI становятся более эффективными при увеличении скорости связывания, после достижения определённого порога это больше не коррелирует с улучшением клеточных эффектов.

Исследователи предлагают двухэтапный процесс разработки, который сначала сосредоточен на повышении эффективности инактивации, а затем учитывает такие параметры, как селективность к мишеням. Это позволит разработчикам лекарств более точно оценивать перспективные соединения.

Таким образом, исследование подчеркивает важность комплексного подхода в разработке TCI, чтобы избежать потенциальных ловушек, связанных с излишним акцентом на скорости связывания.