Сотрудниками научного центра «Нано-Фотон» Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ создан прототип так называемого поляритонного фотореактора – установки, позволяющей примерно в 10 раз увеличить эффективность химических реакций в помещенном в приборе веществе. Заложенные в прототипе принципы могут быть использованы для более производительного получения биологически активных соединений.
Действие реактора основано на принципах поляритонной химии, изучающей эффекты сильной связи между светом и веществом. Однако чтобы свет ощутимо повлиял на скорость и эффективность химических реакций, его необходимо «сжать». Основу созданного в МИФИ фотореактора составляет интерферометр Фабри-Перо – оптический резонатор, состоящий из двух параллельных тонких зеркал, однако расстояние между двумя зеркалами в реакторе измеряется всего лишь десятками нанометров.
В полость резонатора помещаются микроскопические доли веществ, молекулы которых возбуждаются с помощью лазерного излучения. Из-за того что свет в резонаторе сильно сжат и практически без потерь энергии «курсирует» между зеркалами, молекула вещества не успевает полностью рассеивать энергию возбуждения и приходить в состояние равновесия. Молекула остается в возбужденном состоянии, в результате в молекуле облучаемого вещества вместо одного колебательного уровня получается два, с большей и меньшей энергией. Поскольку колебательные уровни молекул напрямую вовлечены в течение химических реакций, то благодаря расщеплению колебательного уровня и использованию уровня, более высокого по энергии, возникает возможность повышения эффективности химического взаимодействия. В итоге на выходе получается примерно в 10 раз больше требуемого химического соединения, чем если бы химическая реакция шла без использования фотореактора.
Важная особенность созданного прибора заключается в том, что он не только увеличивает количество получаемых химических соединений, но и позволяет синтезировать вещества с определенной энантиоселективностью, то есть добиваться эффекта, когда в ходе химической реакции из двух возможных зеркально-симметричных молекул один тип – энантиомер – синтезируется в гораздо большем количестве, чем другой. Данный эффект может иметь большое значение для фармацевтики, потому что часто такие молекулы-энантиомеры более химически эффективны, чем молекулы, идентичные по химическому составу, но из-за зеркальной симметрии формы обладающие немного другими свойствами. Обычно при химических реакциях симметричные друг другу энантиомеры очень сложно разделять, но созданный в МИФИ поляритонный фотореактор позволяет избирательно синтезировать химические соединения, являющиеся энантиоселективными в нужном направлении.
Новый прибор может иметь важное прикладное значение для фармацевтической и химической промышленности, однако необходимо иметь в виду, что используемые в фотореакторе эффекты проявляются только при работе с микроскопическими дозами веществ (порядка микрограммов), и для использования этих эффектов в промышленных масштабов понадобится создание настоящих «батарей» из множества фотореакторов.
В ходе разработки фотореактора учеными МИФИ было зарегистрировано три патента.
Разработка фотореактора финансируется грантом Российского научного фонда в рамках программы «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
После завершения гранта работы над реактором планируется продолжать в рамках Лаборатории оптических квантовых сенсоров в новом научном центре LIFT («Life Improvement by Future Technologies»), расположенном на территории Сколково.
Информация и фото предоставлены пресс-службой НИЯУ МИФИ
Источник фото: МИФИ
