Snoede sløjfer skabt med kontinuerlig chiralitet

Snoede sløjfer skabt med kontinuerlig chiralitet

Tidsstempel: 13. april 2023 kl. 9

Lysbølger nærmer sig de snoede metalsløjfer og bliver vendt af sløjfeformen
Sløjfe nanosamlinger: Lysbølger nærmer sig de snoede metalsløjfer og drejes af sløjfeformen. Evnen til at kontrollere graden af ​​drejning i et krøllet, nanostruktureret materiale kunne være et nyttigt nyt værktøj inden for kemi og maskinsyn. (Med høflighed: Ella Maru Studio)

Forskere ved University of Michigan i USA har skabt sløjfeformede nanostrukturerede mikropartikler, hvis chiralitet eller håndhed kan indstilles kontinuerligt over en bred vifte. De komplekse partikler, som er konstrueret af simple komponenter, der er følsomme over for polariseret lys, danner en række krølleformer, der kan kontrolleres præcist. De fotonisk aktive nanosamlinger kan finde anvendelse i et væld af applikationer, herunder lysdetektions- og rækkeviddeanordninger (LiDAR), medicin og maskinsyn.

I matematiske termer er chiralitet en geometrisk egenskab, beskrevet af kontinuerlige matematiske funktioner, der kan afbildes som den gradvise vridning af en sød indpakning. En familie af stabile strukturer med lignende former og progressivt indstillelig chiralitet burde derfor være teoretisk mulig. I kemi behandles chiralitet dog ofte som en binær karakteristik, hvor molekyler kommer i to versioner kaldet enantiomerer, som er spejlbilleder af hinanden - meget som et par menneskehænder. Denne chiralitet er ofte "låst inde", og ethvert forsøg på at ændre det resulterer i at bryde strukturen.

Kontinuerlig chiralitet

Et team af forskere ledet af Nicholas Kotov har nu vist, at nanostrukturer med en anisotropisk sløjfeform har kontinuerlig chiralitet, hvilket betyder, at de kan fremstilles med en snoningsvinkel, pitchbredde, tykkelse og længde, der kan tunes over et bredt område. Snoningen kan faktisk styres hele vejen fra en fuldt snoet venstrehåndsstruktur til en flad pandekage og derefter til en fuldt snoet højrehåndsstruktur.

Sløjferne er lavet ved at blande cadmium og cystein, et proteinfragment, der findes i venstre- og højrehåndede varianter, og derefter suspendere denne blanding i en vandig opløsning. Denne reaktion producerer nanoark, der selv samles til bånd, som derefter selv stables oven på hinanden og danner de butterfly-formede nanopartikler. Nanobåndene er samlet af nanoblodplader 50-200 nm lange med en tykkelse på ca. 1.2 nm

"Vigtigt er det, at størrelsen af ​​partiklerne er selvbegrænset af de elektrostatiske interaktioner mellem nanopladerne og partiklerne generelt," forklarer Kotov, "en mekanisme, som vi opdagede i en tidligere undersøgelse af suprapartikler og lagdelte nanokompositter."

Hvis cysteinet udelukkende er venstrehåndet, dannes der venstrehåndede sløjfer, og hvis det er højrehåndet, dannes der højrehåndede. Hvis blandingen indeholder forskellige forhold mellem venstre- og højrehåndet cystein, kan der dog skabes strukturer med mellemliggende drejninger. Stigningen af ​​de strammeste sløjfer (det vil sige dem med en 360° drejning over hele deres længde) er omkring 4 µm.

Forskerne fandt ud af, at nanostrukturerne kun reflekterede cirkulært polariseret lys (som forplanter sig gennem rummet i en proptrækker-form), når snoningen i lyset matchede snoet i butterfly-formen.

5000 forskellige former

Holdet lykkedes med at producere 5000 forskellige former inden for bowtie-spektret og studerede dem i atomare detaljer ved hjælp af røntgendiffraktion, elektrondiffraktion og elektronmikroskopi på Argonne National Laboratory. Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder viser, at sløjfer er opbygget som en stak snoede nanobånd 200-1200 nm i længden og 45 nm tykke.

Årsagerne til kontinuum chiralitet kommer takket være de iboende egenskaber af byggestenene i nanoskala. For det første giver fleksible hydrogenbindinger mulighed for variable bindingsvinkler, forklarer Kotov og kolleger. For det andet fører nanobånds evne til at ionisere til langtrækkende frastødende interaktioner mellem byggesten i nanoskala, der kan indstilles over et bredt område ved at ændre pH og ionstyrke. Og da nanobåndene vrider sig, bliver det totale elektrostatiske potentiale chiralt, hvilket forstærker samlingerne.

"Sammenlignet med de 'simple' suprapartikler, vi studerede i vores tidligere arbejde, kan dem, der er lavet af chirale nanoklynger, danne mere komplekse strukturer," fortæller Kotov Fysik verden. "Ved at kontrollere deres elektrostatiske interaktioner kan vi variere deres størrelse og form. Etablering af et sådant chiralitetskontinuum for syntetiske kemiske systemer, såsom disse komplekse partikler, giver os mulighed for at konstruere deres egenskaber."

Forskerne, der rapporterer deres arbejde i Natur, siger, at de nu har travlt med at undersøge anvendelser for deres bowtie-partikler i maskinsyn. "Cirkulært polariseret lys er sjældent i naturen og derfor meget attraktivt for et sådant syn, da det tillader en at fjerne støj," forklarer Kotov. "De konstruerede bowtie-strukturer kan også bruges som markører for LiDAR og polarisationskameraer."

De snoede nanopartikler kan også være med til at skabe de rette betingelser for at producere chiral medicin. Kiralitet er en vigtig egenskab ved lægemidler, da enantiomerer af det samme molekyle kan have helt forskellige kemiske og biologiske egenskaber. At skelne mellem dem er derfor særligt interessant for dem, der udvikler nye lægemidler.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden