В научном центре «Нано-Фотон» Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ разработали прототип поляритонного фотореактора. Эта установка способна приблизительно в 10 раз повысить эффективность химических реакций в исследуемом веществе. Принципы, заложенные в прототипе, могут быть применены для более эффективного получения биологически активных соединений.
Работа реактора базируется на принципах поляритонной химии, изучающей влияние сильной связи света и вещества. Для ощутимого воздействия света на скорость и эффективность химических реакций его нужно сжать. В созданном в МИФИ фотореакторе основой является интерферометр Фабри-Перо – оптический резонатор из двух параллельных тонких зеркал, но расстояние между зеркалами составляет всего несколько десятков нанометров.
В полость резонатора помещают микроскопические доли веществ, молекулы которых возбуждаются лазерным излучением. Из-за сжатия света в резонаторе и практически безна lossного его движения между зеркалами молекула не успевает полностью рассеивать энергию возбуждения и приходить в состояние равновесия. Молекула остается в возбужденном состоянии, из-за чего вместо одного колебательного уровня получается два, с большей и меньшей энергией. Так как колебательные уровни напрямую участвуют в химических реакциях, то расщепление колебательного уровня и использование более высокого по энергии уровня повышают эффективность химического взаимодействия. В результате получается примерно в 10 раз больше требуемого химического соединения, чем при реакции без фотореактора.
Созданный прибор не только увеличивает количество получаемых химических соединений, но и синтезирует вещества с определенной энантиоселективностью: в ходе реакции из двух возможных зеркально-симметричных молекул один тип – энантиомер – синтезируется значительно больше.
Такой эффект важен для фармацевтики, потому что часто энантиомеры более эффективны, чем молекулы с идентичным составом, но отличающиеся по свойствам из-за зеркальной симметрии формы. Обычно разделить симметричные энантиомеры сложно, но поляритонный фотореактор МИФИ позволяет избирательно синтезировать энантиоселективные соединения в нужном направлении.
Новый прибор может быть полезен фармацевтической и химической промышленности, но нужно помнить, что фотореактор эффективен только с микроскопическими дозами веществ (микрограммы). Для промышленного применения потребуются «батареи» из множества фотореакторов.
При разработке фотореактора специалисты МИФИ получили три патента.
Разработка фотореактора осуществляется при поддержке гранта Российского научного фонда в рамках программы «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации». Программа реализуется Президентской программой исследовательских проектов, проводимых ведущими учеными, включая молодых.
По окончании грантовой программы исследования реактора планируется продлить в лаборатории оптических квантовых сенсоров в новом научно-исследовательском центре LIFT («Life Improvement by Future Technologies»), находящемся на территории Сколково.
Пресс-служба НИЯУ МИФИ предоставила информацию и фотографии.
Источник фото: МИФИ