Циклогексан — углеводород в виде шестичленного кольца — используется в качестве сырья для производства нейлона, из которого делают ткани, пластмассы и автомобильные детали. Циклогексан в свою очередь получают из бензола — другого соединения в виде кольца, — добавляя к нему дополнительные атомы водорода. Бензол опасен для человека: попадая через дыхательные пути и кожу в организм, он увеличивает риск онкологических заболеваний. Чтобы уберечь сотрудников химических производств и потребителей конечной продукции от токсического эффекта бензола, его остатки важно тщательно удалять из циклогексана. Однако сделать это сложно из-за почти одинаковых физических свойств этих веществ, поэтому ученые ищут новые эффективные методы их разделения.

Исследователи из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) с коллегами из Даляньского технологического университета (Китай) синтезировали металл-органический каркас, который удерживает бензол за счет как физических, так и химических процессов.

За основу исследователи взяли соли цинка и две сложные органические молекулы. Их смешали, а затем нагревали до 100°С в течение полутора суток. В результате авторы получили мелкие кристаллы с узкими порами, в которых «застревают» молекулы бензола. Кроме того, в этих порах находятся группы атомов, которые эффективно взаимодействуют именно с молекулами бензола, дополнительно удерживая это опасное вещество в сорбенте. 

Расположение молекул бензола в узких порах сорбента. 

Химики протестировали разработку, разделив с ее помощью смеси бензола и циклогексана в разных пропорциях. Оказалось, что материал удаляет до 99,99% канцерогена из смеси, при этом его можно использовать многократно: поглотитель не потерял своей эффективности даже после трех циклов работы. 

«Секрет избирательности материала заключается в том, что каждая узкая пора в нем идеально вмещает две молекулы бензола. Циклогексан несколько крупнее, поэтому он не влезает в такие щели. Компьютерное моделирование подтвердило, что присоединение бензола энергетически выгодно — в этом случае выделяется дополнительная энергия, тогда как захват циклогексана, наоборот, требовал бы энергетических затрат, поэтому он невыгоден», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Потапов, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории металл-органических координационных полимеров Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН.

Более того, новый материал можно использовать в качестве детектора. Дело в том, что сам по себе полученный металл-органический каркас под действием ультрафиолета испускает зелено-желтый свет. Когда кристаллы помещают в раствор с бензолом, они начинают светиться в полтора раза ярче, при этом оттенок излучения становится ближе к зеленому. Такое изменение яркости и спектра заметно даже невооруженным глазом.

Важно подчеркнуть, что материал оказался чувствительнее лучших из существующих аналогов. С его помощью удалось выявить концентрации бензола в три раза меньшие, чем способны уловить другие поглотители. Такая особенность нового металл-органического каркаса позволит своевременно выявлять утечки канцерогена на химических производствах и тем самым уберечь работников от его воздействия. 

«Разработанный нами материал поможет снизить риск профессиональных онкологических заболеваний у сотрудников химических и фармацевтических производств, связанных с воздействием бензола. Кроме того, он удешевит производство циклогексана за счет более простой и экономичной очистки этого продукта от опасной примеси. В дальнейшем мы планируем разработать способы получения сорбентов с увеличенным объемом пор, чтобы повысить производительность разделения, сохраняя при этом его высокую эффективность», — рассказывает Андрей Потапов. 

Генетически модифицированные прозрачные рыбки данио-рерио

Металл-органические каркасы — это кристаллические структуры, состоящие из ионов металла, связанных органическими лигандами. Сегодня преобладают научные исследования трехмерных пористых структур, за открытие которых в 2025 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Новосибирские ученые в лаборатории металл-органических координационных полимеров ИНХ СО РАН синтезировали двумерные металл-органические структуры, протяженные только в двух направлениях. Такие структуры по соотношению размеров сторон к толщине напоминают листы бумаги в наноразмерном диапазоне. Нанолисты, имеющие рекордное отношение линейных размеров к толщине — 2300 : 1, — практически идеально гладкие на атомарном уровне и могут достаточно прочно закрепляться на различных плоских подложках. Одно из важнейших свойств полученных наноразмерных объектов — проявление люминесценции с эффективностью до 93 %, то есть поглощаемый свет практически полностью испускается в виде собственного излучения. По словам ученых, область применения таких нанолистов может быть очень широкой, однако в первую очередь они могут стать одним из компонентов для устройств медицинской диагностики.

«Мы синтезировали двумерные металл-органические каркасы европия, тербия и иттрия. Выбор металлов связан с возможностями модуляции излучения, выходящего из источника. Определенный металл отвечает за конкретный оттенок: европий дает красный цвет, иттрий — голубой, а тербий — зеленый. Оптоволокно в общей конструкции выступает проводником излучения источника с определенной длиной волны, с помощью оптоволокна свет может дойти до исследуемого объекта, например какого-либо органа животного или человека. Нанослои, полученные из металл-органических каркасов и прикрепленные к торцу оптоволокна, способны модулировать цвет излучения в реальном времени, что исключает сложные и дорогостоящие модификации светового источника. Так как нанослой и оптоволокно обладают гладкой поверхностью, они достаточно легко притягиваются друг к другу междуатомными взаимодействиями. Люминесценция нанослоя возбуждается под влиянием света и может приобретать различные цвета, в зависимости от металла, из которого состоит металл-органический каркас», —рассказал главный научный сотрудник лаборатории металл-органических координационных полимеров ИНХ СО РАН доктор химических наук Андрей Сергеевич Потапов. Для демонстрации инструмента сибирские ученые совместно с коллегами из Национального медицинского центра им. В. А. Алмазова (Санкт-Петербург) и Национального научного центра морской биологии им. А. В. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) используют в качестве объекта изучения генетически модифицированных рыбок данио-рерио, которые полностью прозрачны. С помощью эндоскопа и подсветки удается провести осмотр внутренних органов животного. При этом, как показал эксперимент, подобная эндоскопия оказалась абсолютно безопасной для рыбки не только во время процедуры, но и после извлечения зонда. Каркас нетоксичен и прочно связан с поверхностью оптоволокна, поэтому его отделение внутри организма полностью исключено. По мнению ученых, конструкция, состоящая из двумерного металл-органического каркаса и оптоволокна, в будущем может стать вспомогательной технологией для биомедицинской визуализации в научных исследованиях и для модернизации оптоэлектронных устройств. Она также открывает дорогу к созданию новых малоинвазивных и многоразовых оптических зондов для диагностики и световой терапии.