Эфиры — простые органические молекулы, в которых атом кислорода соединяет два атома углерода. Эфиры являются стандартными химическими компонентами простейших продуктов, включая множество растворителей, топливо, косметику и фармацевтические препараты. Соедините их в большие молекулярные кольца, и эфиры станут научной знатью — краун-эфирами, развитие которых было удостоено Нобелевской премии по химии в 1987 году. Кольца в форме короны важны в качестве начального прототипа в химии гость-хозяин, области, в которой «гостевые» ионы и молекулы могут улавливаться в пределах полости „хозяйской“ молекулы.

Эта способность позволяет химикам создавать подборку отдельных взаимодействий со слабыми связями, такими как электростатические связи между атомом кислорода эфира и ионом металла, для достижения прочного и отборного закрепления. Это полезное свойство под названием «молекулярное признание» используется для сортировки, считывания и катализа.

И вот теперь группа во главе с исследователями из Окриджской национальной лаборатории открыла способ существенного повышения селективности и закрепления краун-эфиров. Исследователи внедрили их в твердую структуру графена.

«Мы первыми увидели краун-эфиры в графене», сказал Мэтью Чишолм. „Наши подсчеты, основанные на наблюдениях, демонстрируют беспрецедентную селективность и силу скрепления“.

Внедрение краун-эфиров в графен стимулирует кольца эфира ложиться плоско.

В результате получаются твердые отверстия, которые оптимизируют селективность атомов по размерам, которые оптимально соответствуют полостям колец. Более того, ограничение краун-эфиров двумя измерениями вынуждает все их водородные диполи указывать внутрь, к центрам полостей, что оптимизирует электростатический потенциал для связывания атомов.

Например, сила, с которой краун-эфиры связывают атом калия, втрое больше в ограниченном твердом состоянии на графене, чем в произвольной структуре.

Результаты, опубликованные в издании Nature Communications, могут возвестить новое царство для краун-эфиров в разнообразных применениях. Их сильная специфическая электростатическая связь может усовершенствовать датчики, химическую сортировку, утилизацию ядерных отходов, извлечение металлов из руд, очистку и переработку редкоземельных элементов, очистку воды, биотехнологии, выработку энергии в долговечных литий-ионных батареях, катализ, медицину и хранение данных.