E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Klastrové sloučeniny boru pro nanochemii

Intenzivní zájem docenta Pavla Matějíčka z katedry fyzikální a makromolekulární chemie PřF UK o sloučeniny boru, borany, vyústil nedávno v zajímavý úspěch. Respektovaný chemický časopis Langmuir jej požádal o přehledový článek, který reviduje více než desetiletou práci jeho a týmu kolegů ze skupiny Soft Matter. Článek se dostal na obálku časopisu a v online verzi patří od uveřejnění v listopadu 2017 k nejčtenějším článkům časopisu vůbec.

 

Struktura studovaných aniontových klastrových sloučenin boru: (zleva) dekaborát, dodekaborát, 1-karbadodekaborát, 1,2-dikarbollid, dikabillid kobaltát.

 

Bor, tedy prvek periodické tabulky s číslem 5,  vykazuje řadu podivuhodných vlastností. Ačkoliv se v přírodě vyskytuje pouze v podobě relativně jednoduchých sloučenin kyseliny borité a jejích solí, člověk dokázal s tímto stavebním kamenem vystavět  malé chemické katedrály. Bor totiž nabízí možnost, kterou chemici nazývají katenace - tedy řetězení jednotlivých molekul za sebe za vzniku větších molekul. Tím se podobá svému sousedovi z periodické tabulky s číslem 6, tedy uhlíku. Pro chemiky je zajímavé studovat zejména sloučeniny boru s vodíkem, tzv. borany a také karborany, kde je jeden či dva atomy boru nahrazen uhlíkem.  Ačkoliv se bor možností katenace uhlíku podobá, v mnoha konkrétních ohledech se od něj naopak velmi odlišuje. Může za to elektronový deficit na atomu bóru, v jehož důsledku vypadají struktury takových sloučenin o poznání jinak, než sloučeniny z uhlíku a vodíku a mají také velmi odlišné vlastnosti. Typické borany a karborany jsou klecové sloučeniny polyhedrálního tvaru, kterým se říká klastry. Důvodem je zvláštní druh vazby mezi atomy boru a vodíku, které se v chemickém žargonu říká podle tvaru banánová vazba.

Řada boranu je velmi nestálá a reaktivní, což vedlo chemiky k myšlence, že právě tyto sloučeniny by mohly být vynikajícím palivem. Jejich výzkum byl proto velmi žádoucí zejména v dobách studené války, kdy bylo také založeno jedno z pracovišť, které má u nás velkou tradici a také světovou proslulost: dnešní Ústav anorganické chemie AV ČR v Řeži u Prahy. “Pracoviště v Řeži je celosvětově známé syntézou látek na bázi boru. My se však nevěnujeme ani přímo syntéze syntéze, v současnosti ani biomedicínským aplikacím, ale zkoumáme boranové klastry především z fyzikálně-chemického hlediska,“ říká doc. Pavel Matějček.

Dříve jsme studovali pouze polymery, které jsou velmi populárními stavebními bloky v nanochemii. I když jsme měli skvělé výsledky, byli  jsme jen jedni z mnoha. To, co nás zajímalo, byly nejen polymerní micely vznikající hydrofobním efektem, ale také tím, že jsme makromolekuly slepili dohromady s pomocí menších molekul, například surfaktantů. Již přinejmenším 10 let se však věnujeme ještě jiným látkám, které mají také široký potenciál uplatnění. Naučili jsme se využívat klastrové sloučeniny boru jako stavební bloky v nanochemii, což zatím ve světě není tak běžné. Proto je naše komunita zatím docela malá,” vysvětluje doc. Matějíček a dodává: “Ve skupině  profesora Karla Procházky “Soft Matter”, z niž se můj tým postupně vydělil,  jsou jak teoretici, tak experimentátoři. Já patřím k experimentátorům, byť těsná spolupráce s teoretiky, kteří provádějí počítačové simulace studovaných jevů, je nezbytná,” dodává Matějíček.

 

Shrnutí výsledků, o nějž nedávno požádala Pavla Matějíčka editorka odborného chemického  časopisu Langmuir profesorka Francoise M. Winnik z Montrealu, se týkalo především procesů, které jsou ve skupině “Soft matter” dlouhodobě studovány. Jde především o to, že boranové klastry mohou být využity jako základní stavební kameny pro nanochemické inženýrství. Přesné poznání vlastností těchto molekul totiž umožní chemikům tyto stavební prvky spojovat do větších “staveb” (tzv. multimolekulárních agregátů a komplexů) a vytvářet tak dříve neznámé a různým způsobem užitečné struktury.  Tým docenta Matějíčka se z velké části soustředil na přesnou charakteristiku jedné jejich unikátní vlastnosti. A to je něco, čemu se odborně říká amfifilie.

Toto slovo doslova přeložené z řečtiny znamená něco jako “toho, kdo má dva kamarády”. Těmito “filoi”, tedy přáteli, jsou myšleny dvě jinak nesmiřitelné fáze: lipidy a voda. Běžné amfifilní látky, které známe z živého světa (typicky jako stavební prvky membrán), mají typickou strukturu: hydrofilní hlavičku a hydrofobní ocásek. Právě tato struktura umožňuje takovým molekulám, aby se v prostředí bohatém na vodu i tuky “sešikovaly” do tvaru, který může plnit nějakou zajímavou funkci, jako je například biologická membrána, která vytvoří nepropustnou či polopropustnou hranici mezi dvěma prostředími.

Zajímavé na klastrech boru je to, že se v jistém smyslu chovají v roztocích podobně jako typické amfifilní látky, ale nemají ve své molekule ani hydrofilní hlavičku, ani hydrofobní ocásek. Jsou totiž tvořeny v podstatě hydrofobními skupinami B-H, kde jsou však koncové atomy vodíku slabě záporně nabité. Boranové klastry se proto rozpouští nejen ve vodě, ale i v tucích a dalších organických rozpouštědlech. Struktura vody okolo rozpuštěného klastru je jiná než v okolí hydrofobního ocásku nebo hydrofilní hlavičky molekuly běžného mýdla, je takříkajíc někde mezi - je amfifilní ve všech svých částech. Takový klastr navíc interaguje s dalšími stavebními bloky (polymery, proteiny, atd.) zcela jinak než běžné molekuly odvozené od uhlovodíků díky tvorbě takzvané dvojvodíkové vazbě předpovězené prof. Hobzou z ÚOCHB v Praze.

Zvaný přehledový článek v časopisu Langmuir se snaží aniontové klastry boru zařadit do kontextu ostatních, běžnějších amfifilních stavebních bloků. “Možnosti představit borany širšímu okruhu chemiků prostřednictvím časopisu Langmuir, navíc v podobě titulní stránky, si velmi vážím,” říká Pavel Matějíček. “Svým způsobem se tím uzavírá jedna kapitola našeho výzkumu. Teď by měl následovat druhý krok a to je najít využití našich klastrů v nanotechnologiích a dalších odvětvích chemie, což se sice už děje, ale věřím, že ruku k dílu přiloží mnohem větší počet vědecký kolegů z různých oblastí nanochemie. Už teď se mi ozvali vědci z Brém, že naše výsledky skvěle zapadají do jejich teoretického výzkumu tzv. chaotropních iontů. Kromě hydrofobicity a hydrofilicity totiž definují také superchaotropní efekty boranových klastrů, což souvisí se zvláštní strukturou vody v jejich okolí.

Kromě základního fyzikálně-chemického výzkumu vidím uplatnění boranových klastrů  zejména v nanomedicíně, ale i v materiálovém inženýrství, výrobě nových typů elektrolytů v bateriích, nebo také ve tvorbě nanorobotů. I když zatím mi není moc jasné, co by takový nanorobot vyrobený z boru měl umět,” uzavírá Pavel Matějíček.

 

                                                                                                                                                   Michal Andrle


Původní článek v časopise Langmuir naleznete ZDE.


Poděkování

Směr mých výzkumů, zejména v oblasti biomedicínských aplikací,  také v jisté fázi zásadně ovlivnil kolega Petr Cígler z Ústavu organické chemie a biochemie.

Hlavní poděkování za mou práci míří k prof. Karlovi Procházkovi, který mi zpočátku umožnil pracovat na mých vlastních výzkumech a položit tak základy mé vlastní podskupiny. Článek, o němž byla řeč, jsme Karlovi Procházkovi věnovali k jeho 70. životnímu jubileu.  

doc. RNDr. Pavel Matějíček, Ph.D.


 

Publikováno: Středa 25.04.2018 09:55

Akce dokumentů

Kategorie: