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.
Лаборатория нано-биоинженерии (ЛНБИ) центра НАНО-ФОТОН НИЯУ МИФИ
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.
Прототип 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 пре химических реакциях симметричные друг другу энтиомеры 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 ввиду, 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 зарегистрирована 3 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..