PhysChem SupraSystem Lab

На этой неделе наша Лаборатория приняла участие в VII Школе-конференции для молодых учёных «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы»,
которая прошла в Казани, в Институте органической и физической химии им. А. Е. Арбузова.

Аспиранты нашей Лаборатории, Аракчеев Андрей Владимирович и Крылов Даниил Игоревич, представили результаты своих исследований и поделились опытом с коллегами из Казани, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга и других научных центров России.

Конференция стала отличной площадкой для обсуждения современных направлений супрамолекулярной химии: от тонкого органического синтеза до исследований коллективных свойств молекулярных ансамблей.

Мы особенно благодарны оргкомитету конференции, коллективу лаборатории Высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова, за организацию конференции, высокую оценку наших докладов и тёплую атмосферу научного общения 🔬
Такие встречи напоминают, что химия — это не только теория и эксперимент, но и живой диалог, объединяющий учёных разных поколений и направлений 💧

🚨🆕 Учёные #ИФХЭ РАН совместно с коллегами из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИОНХ РАН и ИНЭОС РАН впервые продемонстрировали возможность использования УФ излучения и красного света для управления редокс-изомерными состояниями в комплексах европия и самария с фталоцианинамм

ℹ️ Процесс внутримолекулярного переноса электрона называется редокс-изомеризацией. У молекул при переходе из одного редокс-изомерного состояния в другое существенно изменяются оптические свойства, магнитная восприимчивость и электропроводность. Причиной редокс-изомеризации может быть изменение давления, температуры или локального окружения, в котором находятся молекулы.

🥪Молекула бис-фталоцианината европия или самария напоминает «сэндвич»: между двумя плоскими «палубами» органических лигандов находится атом металла (в данном случае европия или самария). Если молекула бис-фталоцианината растворена в органическом растворителе, её металлоцентр находится в своей высшей степени окисления (+3). При формировании монослоя на поверхности воды электрон переходит с лиганда на металлоцентр. При этом степень окисления металлоцентра изменяется до +2. Редокс-изомеризация при формировании монослоя объясняется тем, что в монослое одна фталоцианиновая «палуба» находится на воздухе, а вторая в воде, и эта разница в локальном окружении фталоцианинов приводит к внутримолекулярному переносу электрона.

⚡️Облучение монослоя бис-фталоцианината самария или европия УФ светом (250–400 нм) приводит к возбуждению внешних электронных оболочек катиона лантанида, в результате чего электрон с металлоцентра переходит на лиганд, а атом металла изменяет степень окисления до +3. С течением времени постепенно происходит обратный переход. Удивительно, что этот процесс можно ускорить с помощью облучения красным светом и быстро восстановить металлоцентр до степени окисления +2.

💬 « Нами обнаружен новый класс фотохромных соединений, которые под действием облучения меняют свои оптические характеристики. У большинства фотохромных соединений облучение индуцирует структурную перестройку молекулы, что приводит к изменению её цвета. Планарные ансамбли бис-фталоцианинатов европия и самария демонстрируют такие же оптические переключения, как всем известные фотохромные соединения, но у них изменение цвета обусловлено переходом электрона с металлоцентра к лиганду и обратно», — рассказал ключевой автор работы, инженер-исследователь лаборатории физической химии супрамолекулярных соединений #ИФХЭ РАН Андрей Аракчеев.

☝🏻Ключевой задачей стало воспроизведение этого уникального эффекта в плёнке на твёрдой подложке. На следующем этапе исследователям удалось подобрать параметры переноса монослоя на твёрдые подложки с помощью метода Ленгмюра-Блоджетт так, чтобы в получаемой плёнке сохранялось новое редокс-изомерное состояние комплексов (металлоцентр в степени окисления +2). Оказалось, что в плёнках на твёрдой подложке так же, как и в монослоях на границе вода/воздух, реализуются фотохромные редокс-изомерные превращения.

Работа опубликована в журнале 📕 Journal of Colloid and Interface Science, 700 (2025), 138470.

🔗 Подробнее на нашем сайте и в Telegram-канале лаборатории физической химии супрамолекулярных соединений #ИФХЭ РАН.

#ИФХЭ новости

#Знакомство_с_Супра_Лабой

Дорогие друзья!

Наша лаборатория участвует в инфраструктурном гранте РНФ №23-73-00122, выполняемом совместно с Курчатовским институтом. В рамках этого гранта у нас есть уникальная возможность работы на синхротроне - ярком источнике рентгеновского излучения. Мы работаем на станции "Ленгмюр", где есть возможность применить рентгеновские методы исследования к мономолекулярным плёнкам на границе воздух/вода. Эти методики нам безумно интересны, потому что они позволюят детально изучить структуру материи в двумерном состоянии!
Скоро мы снова пойдем работать под синхротронным пучком, а пока...

Вчера на Курчатовском форуме "Исследования с применением синхротронного излучения, нейтронов и электронов" нашу лабораторию представил Андрей Аракчеев с докладом Самосборка координационного полимера на основе тетрапиррольных комплексов никеля(II) и рутения(II).

В секции Биологические системы, полимеры, вещество в мягком конденсированном состоянии прозвучали доклады, посвящённые изучению структуры и свойств дисперсий, полимерных систем и монослоёв Ленгмюра. Изучение мономолекулярных плёнок на основе полимеров, дендримеров и тетрапирролов на границах раздела с использованием рентгеновских методов стало предметов бурного обсуждения на секции форума

С момента появления супрамолекулярной химии ванна Ленгмюра стала одной из ключевых платформ, где самые яркие и смелые идеи обретают форму👨‍🔬
На межфазной поверхности молекулярные машины перестают быть просто лабораторными игрушками тонкого органического синтеза, они превращаются в функциональные системы, способные работать, двигаться и откликаться на внешние сигналы🌊⚙️

В обзоре «Molecular machines working at interfaces: physics, chemistry, evolution and nanoarchitectonics» показано, как концепция наноархитектоники объединяет достижения нанотехнологии, органического синтеза и биомиметики, открывая путь к созданию молекулярных машин, способных работать прямо на границах фаз✨

⚙️ От нанотехнологии к наноархитектонике

Если нанотехнология научила нас видеть атомы и управлять ими, то наноархитектоника поднимает эту идею на новый уровень, сочетая принципы самоорганизации, химического синтеза и физического контроля. Метод монослоёв Ленгмюра и плёнок Ленгмюра-Блоджетт - это важный подход "мягкой" наноархитектоники для конструирования функциональных материалов на нанометровом масштабе

💧 Жидкие интерфейсы в наноархитектонике становятся динамической средой для молекулярных машин.
Переход на границу воздух–вода открывает новый тип активности — гибкий, обратимый и кооперативный.

Дифильные молекулы в монослое откликаются на механические воздействия: сжатие или расширение изменяет их конформацию и функциональные свойства:
• Стероидные циклофаны на границе воздух–вода избирательно захватывают и отпускают флуоресцентных "гостей" при изменении поверхностного давления.
• Фотоизомеризующиеся дифилы превращают световую энергию в управляемое механическое движение.
• Молекулярные шестерёнки на металлических подложках демонстрируют согласованное вращение — прообраз будущих наномеханических систем.
Так рождается концепция «hand-operating nanotechnology» — когда наномир подчиняется движению руки ✋

🧠 Твёрдые интерфейсы становятся платформами для устройств молекулярной электроники с управляемым движением компонентов на поверхности.

На твёрдых поверхностях реализуются наномеханические системы, где отдельные молекулы могут вращаться, переключаться и двигаться как элементы миниатюрного механизма.
Созданы молекулярные роторы, редокс-помпы и даже наномобили с фуллереновыми колёсами 🏎️.
Методы зондовой микроскопии — STM и AFM — позволяют не просто наблюдать, но и управлять их движением с атомарной точностью 🔬

Авторы подчёркивают: интерфейс — это не просто граница раздела, а активная среда для самоорганизации

Наноархитектоника превращает поверхность — будь то воды или металла — в лабораторию живой материи, где молекулы взаимодействуют и работают согласованно!
В обзоре собраны самые эффектные и вдохновляющие примеры того, как супрамолекулярная химия и физикохимия поверхности, сливаясь в едином порыве, приводят к новым открытиям на острие науки, и именно поэтому #Ленгмюр_одобряет.

#Ленгмюр_одобряет
Метод Ленгмюра давно вышел за рамки классических монослоёв из дифильных молекул и теперь он позволяет заглянуть в мир мягкой материи на уровне отдельных микро- и наночастиц 🔍

В работе «Compression of colloidal monolayers at liquid interfaces: in situ vs. ex situ investigation» исследователи из Дюссельдорфа систематически изучили поведение при сжатии на поверхности воды коллоидов различной природы: жёсткие кремниевые сферы ⚫️, мягкие микрогели поли-N-изопропилакриламида (PNIPAM) ⚪️ и частицы «жёсткое ядро — мягкая оболочка» (core-shell ◉).

Для наблюдения за структурой в реальном времени авторы использовали комплекс методов: классические изотермы сжатия, in situ флуоресцентную микроскопию и малоугловое рассеяние света (LT-SALS), интегрированное непосредственно в ванну Ленгмюра. Предложенная авторами методика LT-SALS обладает рядом преимуществ перед традиционной микроскопией 🔬: она позволяет анализировать области более 1 мм² (что соответствует статистике по десяткам тысяч частиц), не требует флуоресцентных меток или сильного контраста, менее чувствительна к вибрациям, а переходы между различными состояниями становятся очевидны непосредственно из дифракционной картины. Это делает метод перспективным для систематических исследований сборки на межфазных границах 📈

Авторы выявили ключевые различия между монослоями различных частиц. Жёсткие сферы упаковывались предсказуемо, демонстрируя единственный период решётки. В то же время мягкие системы (PNIPAM и core-shell) проявляли иное поведение: при сжатии расстояние между частицами плавно уменьшались, а дальний порядок возрастал без скачкообразных структурных изменений.

Сравнение с данными, полученными ex situ, выявило принципиальное несоответствие. Перенос монослоя мягких частиц на подложку, метод Ленгмюра-Блоджетт, инициирует мнимый «изоструктурный фазовый переход», который полностью отсутствует в исходной системе на границе воздух–вода. Этот артефакт возникает вследствие необратимых структурных перестроек, вызванных процессами сушки и «закрепления» частиц на подложке, что приводит к существенному искажению истинной организации монослоя.

Таким образом, работа убедительно показывает, что для понимания истинной структуры мягких коллоидных интерфейсов критически важны in situ методы наблюдения. Разработанный подход LT-SALS позволяет проводить такой анализ быстро и точно, открывая новые возможности в исследовании монослоёв коллоидных частиц.

✨ И вновь ванна Ленгмюра становится уникальным инструментом, позволяющим зафиксировать хрупкую иерархию ансамблей мягких коллоидных частиц — порядок, живущий лишь на поверхности воды.✨

Дорогие друзья!

Мы начинаем серию постов #Знакомство_с_Супра_Лабой, где расскажем вам о работах нашей лаборатории!

Открывает рубрику история о многолетнем сотрудничестве заведующей лабораторией Софии Львовны Селектор и основателя нашей лаборатории Владимира Валентиновича Арсланова с Лабораторией новых физико-химических проблем — а именно с научной группой академика Юлии Германовны Горбуновой.
Исследования супрамолекулярных систем на межфазных границах на основе тетрапиррольных соединений начались в нашей лаборатории с изучения агрегативного поведения фталоцианинов и их комплексов в монослоях Ленгмюра.

Совместная работа над сэндвичевыми бис-фталоцианинатами лантанидов привела к неожиданным открытиям. Оказалось, что при формировании монослоя бис-фталоцианината церия, вследствие несимметричного локального окружения на поверхности воды, происходит внутримолекулярный перенос электрона с лиганда на металл.
В координационной химии это явление известно как редокс-изомерия (или валентная таутомерия) и ранее наблюдалось лишь для ограниченного числа соединений.

Однако все известные редокс-изомеризующиеся комплексы демонстрировали подобные превращения лишь при температурах жидкого гелия. В мономолекулярных же плёнках на поверхности воды управление таутомерным состоянием оказалось возможным с помощью механического сжатия и расширения монослоя. Этот эффект получил название ориентационно-индуцированной редокс-изомеризации в планарных системах.

Но на комплексе церия история не закончилась!
Позднее круг соединений, в которых редокс-изомеризация управлялась ориентацией молекул на поверхности воды, был расширен до бис-фталоцианинатов европия, иттербия, самария, эрбия и тулия.
Самым поразительным стало открытие стабильных на воздухе комплексов двухвалентных лантанидов, ранее считавшихся абсолютно нестабильными в таких условиях.

Особый интерес вызвала идея создания молекулярного переключателя на основе этих комплексов. Упорные поиски способов управления редокс-изомерным состоянием привели к неожиданности: излучение, вызывающее фотоионизацию металлоцентра в двухвалентном состоянии, индуцирует редокс-изомеризацию.
Впервые этот эффект был зафиксирован при регистрации XANES-спектров монослоя на синхротроне ESRF.

Наибольшим открытием стало то, что, используя мягкую фотоионизацию ультрафиолетом и красный свет для обратного превращения, можно управлять таутомерным состоянием бис-фталоцианинатов лантанидов в плёнках Ленгмюра–Блоджетт на твёрдых подложках.
Так как редокс-изомеризация сопровождается значительными изменениями оптических свойств, результаты работы позволяют говорить об открытии нового класса фотохромных соединений, в которых управление физическими характеристиками молекулы осуществляется за счёт фотоиндуцированного внутримолекулярного переноса электрона.

Все статьи, упомянутые в посте, вы можете найти в комментариях.
Приятного чтения!

Монослои Ленгмюра — это не только изящная платформа для создания молекулярных устройств, но и универсальная модель для имитации свойств биологических мембран. Исследуя монослои Ленгмюра можно глубже разобраться в механизмах формирования мембранных нанодоменов — так называемых «липидных рафтов».

В нашей лаборатории мы также исследуем мембраноподобные системы — везикулы, а также монослои липидов и неионогенных ПАВ — и нам хорошо знакомо это загадочное явление: в мембране могут возникать участки, отличающиеся по составу и свойствам от остальной мембраны. Именно такие динамичные домены играют ключевую роль в работе клеток, например, в передаче сигналов и интеграции белков.

В работе "Molecular Picture of the Transient Nature of Lipid Rafts" авторам удалось впервые на молекулярном уровне показать, как именно формируются и разрушаются липидные рафты.

Оказалось, что липидные рафты возникают в мембране спонтанно и ведут себя как наноскопические образования с собственной динамикой. Внутри них распространяются акустические фононы: продольные волны проходят дальше по мембране, тогда как поперечные быстро затухают и создают локальный стресс. В результате рафт становится более жёстким, чем окружающая его мембрана.

Но живут такие структуры недолго — всего несколько пикосекунд. Липиды лотерально диффундируют, напряжение спадает, и рафт распадается. Затем стресс распространяется по мембране, и на другом участке вновь зарождается новый домен. Так мембрана непрерывно «дышит» на молекулярном уровне, рождая и разрушая эти кратковременные области.

Авторы также показали, что добавление небольших молекул — например, мелатонина или триптофана — значительно меняет картину. Мембрана становится более жёсткой, а рафты живут дольше. По сути, такие молекулы действуют как функциональные стабилизаторы мембранной динамики.

Самый важный вывод статьи заключается в том, что липидные рафты — вовсе не статические структуры, а транзиентные, постоянно рождающиеся и рассеивающиеся образования. Они служат каналом передачи механических сигналов внутри мембраны и дают молекулярное объяснение давно обсуждаемому феномену «force from lipid».

Эта работа помогает понять, что мембрана — это не пассивный барьер, а активный участник биофизики клетки. Она сама способна передавать напряжение, регулировать поведение белков и участвовать в сигнальных процессах. Подобные рода процессы можно исследовать и с помощью монослоёв Ленгмюра — именно поэтому #Ленгмюр_одобряет

И первой нашу рубрику #Ленгмюр_одобряет открывает работа крупного коллектива учёных из Германии и Китая, посвящённая синтезу двумерного полимера на межфазной поверхности для органической электроники🔬

Когда мы видим в журналах Nature статью, в которой используются наши любимые ванны Ленгмюра, сердце замирает💔
Эта работа не стала исключением...

Здесь авторы использовали крайне изобретательный подход к сборке ковалентного каркаса на основе тетрафенил-порфирината меди и графдиина, перенеся реакцию сочетания Глазера из колбы на поверхность воды!

Реакция сочетания Глазера, приводящая к образованию диинового линкера, катализируется ионами меди. Авторам удалось отследить протекание реакции в монслое на поверхности воды, используя поверхностно-чувствительные методы исследования: рентгеновскую дифракцию в углах скользящего падения (GIXRD) и ИК-спектроскопию поглощения при отражении (IR-RAS)

Однако с какой целью этот синтез необходимо проводить в ванне Ленгмюра? Почему не просто в стакане на поверхности раствора...

Авторы подчёркивают, что получить описываемые полимеры сочетанием по Глазеру можно только путём предорганизации ионов меди особым образом, например, с помощью стеариновой кислоты. И именно возможность формирования на поверхности воды в ванне Ленгмюра монослоёв длинноцепочечных кислот с контролируемой плотностью упаковки позволяет получать ковалентные каркасы на интерфейсе: диин-сшитый тетрафенил-порфиринат меди и графдиин.

Подход SMAIS (surfactant-monolayer-assisted interfacial synthesis), продемонстрированный авторами, может быть использован для изменения направления реакций сочетания для получения функциональных наноматериалов с заданными свойствами.

Дальнейшее перенесение сформированных полимерных сеток методом плёнок Ленгмюра-Шефера позволило определить полупроводниковые свойства нового материала, а также измерить его проводимость, которая оказалась выше, чем у ранее известных двумерных полимеров и ковалентных каркасов (SEM-изображения прекрасно исполненного устройства прикреплены к посту).

Дорогие друзья!

Наша лаборатория физической химии супрамолекулярных систем традиционно занимается мономолекулярными плёнками на границах раздела👨‍🔬
Основной способ получения подобных систем в наших работах - метод монослоёв Ленгмюра и плёнок Ленгмюра-Блоджетт

История этой техники получения ультратонких плёнок началась в 20-х годах XX века с пионерских работ Ирвинга Ленгмюра и Кэтрин Блоджетт, посвящённых монослоям длинноцепочечных жирных кислот и спиртов на границе раздела воздух/вода🏖
Однако, начиная с 60-х годов метод Ленгмюра зарекомендовал себя как в сборке функциональных наноматериалов для сенсорики и электроники, так и в моделировании важнейших процессов в живых системах. Более того, поверхность раздела воздух/вода сыграла ключевую роль в зарождении жизни на Земле, ускоряя важнейшие химические реакции, включая фосфорилирование сахаров и полимеризацию аминокислот, которые в объёмной фазе термодинамически запрещены (ΔG > 0), но становятся возможными на поверхности (ΔG < 0).

В нашей новой рубрике #Ленгмюр_одобряет мы будем рассказывать о новейших открытиях в науке, сделанных с помощью метода монослоёв Ленгмюра, а также покажем самые замысловатые способы изучения структуры и свойств мономолекулярных плёнок на поверхности воды!

Дорогие друзья!
Подошла к концу IX Международная конференция "Супрамолекулярные системы на поверхности раздела"!
В ходе конференции участники заслушали 18 пленарных лекций, 14 устных докладов и 18 устных сообщений молодых ученых.
Участники погрузились в мир физикохимии поверхности, химии макроциклических соединений и супрамолекулярных структур.
До скорых встреч!

Ожидайте новые посты о супрамолекулярной химии и новостях нашей лаборатории!

#Супраз2025

Последний день IX Международной конференции "Супрамолекулярные системы на поверхности раздела" начался с докладов о физической химии наноматериалов.

С лекцией "Наноэмульсии как универсальная среда для формирования нанореакторов и систем доставки лекарств" выступила в.н.с. лаборатории химии каликсаренов ИОФХ РАН, д.х.н. Альбина Юлдузовна Зиганшина. Использование подобных эмульсий в темплатном синтезе наночастиц позволяет создавать универсальные каталитические платформы с высокой удельной поверхностью. С другой стороны, применение наноэмульсий в качестве систем адресной доставки лекарств позволяет решить несколько проблем: улучшить биодоступность и биосовместимость препарата, а также сделать доставку таргетной для эффективной терапии.

Зав. лаборатории нанокапсул и адресной доставки лекарственных средств Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ "Курчатовский институт" Татьяна Владимировна Букреева рассказала о полислойной сборке полимерных микрокапсул. В докладе акцент был сделан на межмолекулярных взаимодействиях, которые управляют формированием подобных систем. Отдельная задача при сборке полиэлектролитных нанокапсул состоит в создании материала с управляемыми свойствами для контролируемого высвобождения лекарственных препаратов.

После кофе-брейка с лекцией выступил с.н.с. лаборатории химии бора и гидридов ИОНХ РАН, к.х.н. Андрей Петрович Жданов, который рассказал аудитории о золотых наночастицах как о универсальных платформах для создания новых тераностических препаратов. В докладе был сделан акцент на гибридных материалах на основе кластеров бора и золотых наночастиц для их применения в бор-нейтронозахватной терапии.

Руководитель отдела по работе с клиентами ООО "НКЦ ЛАБТЕСТ" Валентин Анатольевич Ярына представил сообщение о новых спектрофлуориметрах компании Techcomp.

Заведующая редакцией журнала Известия Академии Наук. Серия химическая (Russian Chemical Bulletin) Галина Николаевна Коннова рассказала о новой структуре статей по химии и об условиях публикации в журнале.

#Супраз2025

Послеобеденная сессия конференции была посвящена современным направлениям молекулярной электроники и функциональных материалов.

Первой выступила доцент МИТХТ им. М.В. Ломоносова, к.х.н. Надежда Валерьевна Коновалова с докладом «Супрамолекулярные системы на основе порфиринов для создания устройств молекулярной электроники». Особое внимание было уделено применению тетрапиррольных соединений в фотовольтаике — перспективной альтернативе кремниевым солнечным элементам. Широкие возможности молекулярного дизайна порфиринов позволяют создавать донорно-акцепторные push–pull системы, значительно повышающие эффективность преобразования энергии.

Далее слово взяла н.с. лаборатории электронных и фотонных процессов в полимерных наноматериалах ИФХЭ РАН Варвара Алексеевна Кабанова. В её докладе речь шла о гибридных материалах на основе фталоцианинов меди и цинка в полимерной матрице, применяемых для разработки высокочувствительных оптических сенсоров аммиака.

Затем с.н.с. той же лаборатории, к.х.н. Алексей Евгеньевич Александров представил доклад о новых структурах на основе перовскитов для регистрации рентгеновского излучения. Докладчик подчеркнул важность комбинированного подхода к детекции высокоэнергетического излучения, включающего в себя использование как сцинтилляционного, так и фоточувствительного компонентов.

После кофе-брейка доцент МИТХТ им. М.В. Ломоносова, к.х.н. Ксения Александровна Жданова сделала развернутый обзор, посвящённый антимикробной и противоопухолевой активности фотосенсибилизаторов в свободной и полимерной формах. Были рассмотрены механизмы их действия, особенности супрамолекулярной организации и возможности практического применения в фотодинамической терапии.

Завершил сессию в.н.с. лаборатории электронных и фотонных процессов в полимерных наноматериалах ИФХЭ РАН, к.х.н. Дмитрий Александрович Лыпенко. В его докладе рассматривались органические источники света на основе производных полифлуорена, низкомолекулярных соединений донорно-акцепторного типа. Описанный в работе подход открывает перспективы для разработки новых люминесцентных и оптоэлектронных материалов.

#Супраз2025