Gedrehte Schleifen mit kontinuierlicher Chiralität

Forscher der University of Michigan in den USA haben nanostrukturierte Mikropartikel in Schleifenform hergestellt, deren Chiralität oder Händigkeit kontinuierlich über einen weiten Bereich eingestellt werden kann. Die komplexen Partikel, die aus einfachen Komponenten aufgebaut sind, die für polarisiertes Licht empfindlich sind, bilden eine Vielzahl von kräuselnden Formen, die präzise gesteuert werden können. Die photonisch aktiven Nanoanordnungen könnten in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden, darunter LiDAR-Geräte (Light Detection and Ranging), Medizin und maschinelles Sehen.

Mathematisch gesehen ist Chiralität eine geometrische Eigenschaft, die durch kontinuierliche mathematische Funktionen beschrieben wird, die man sich als allmähliches Verdrehen einer Bonbonverpackung vorstellen kann. Eine Familie stabiler Strukturen mit ähnlichen Formen und schrittweise einstellbarer Chiralität sollte daher theoretisch möglich sein. In der Chemie wird Chiralität jedoch oft als binäres Merkmal behandelt, wobei Moleküle in zwei Versionen vorliegen, die Enantiomere genannt werden, die Spiegelbilder voneinander sind – ähnlich wie ein Paar menschlicher Hände. Diese Chiralität ist oft „eingesperrt“, und jeder Versuch, sie zu modifizieren, führt zum Aufbrechen der Struktur.

Kontinuierliche Chiralität

Ein Forscherteam unter der Leitung von Nikolaus Kotow hat nun gezeigt, dass Nanostrukturen mit anisotroper Bowtie-Form eine kontinuierliche Chiralität aufweisen, was bedeutet, dass sie mit einem über einen weiten Bereich einstellbaren Verdrillungswinkel, Teilungsbreite, Dicke und Länge hergestellt werden können. Tatsächlich kann die Verdrehung von einer vollständig verdrehten linkshändigen Struktur zu einem flachen Pfannkuchen und dann zu einer vollständig verdrehten rechtshändigen Struktur kontrolliert werden.

Die Schleifen werden hergestellt, indem Cadmium und Cystein, ein Proteinfragment, das in links- und rechtshändigen Varianten vorkommt, gemischt und diese Mischung dann in einer wässrigen Lösung suspendiert werden. Diese Reaktion erzeugt Nanoblätter, die sich selbst zu Bändern anordnen, die sich dann selbst übereinander stapeln und die schleifenförmigen Nanopartikel bilden. Die Nanobänder sind aus Nanoplättchen mit einer Länge von 50–200 nm und einer Dicke von etwa 1.2 nm zusammengesetzt

„Wichtig ist, dass die Größe der Partikel durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Nanoblättern und den Partikeln insgesamt selbst beschränkt ist“, erklärt Kotov, „ein Mechanismus, den wir in einer früheren Studie zu Suprapartikeln und geschichteten Nanokompositen entdeckt haben.“

Wenn das Cystein ganz linkshändig ist, bilden sich linkshändige Bowties und wenn es rechtshändig ist, bilden sich rechtshändige Bowties. Wenn die Mischung unterschiedliche Verhältnisse von links- und rechtshändigem Cystein enthält, können jedoch Strukturen mit dazwischenliegenden Verdrillungen erzeugt werden. Die Steigung der engsten Schleifen (d. h. die mit einer 360°-Drehung über ihre gesamte Länge) beträgt etwa 4 µm.

Die Forscher fanden heraus, dass die Nanostrukturen zirkular polarisiertes Licht (das sich korkenzieherförmig durch den Weltraum ausbreitet) nur dann reflektierten, wenn die Drehung des Lichts mit der Drehung der Schleifenform übereinstimmte.

5000 verschiedene Formen

Dem Team gelang es, 5000 verschiedene Formen innerhalb des Bowtie-Spektrums zu produzieren und sie im atomaren Detail mit Röntgenbeugung, Elektronenbeugung und Elektronenmikroskopie am Argonne National Laboratory zu untersuchen. Rasterelektronenmikroskopische (SEM) Bilder zeigen, dass Schleifen als Stapel aus verdrillten Nanobändern mit einer Länge von 200–1200 nm und einer Dicke von 45 nm strukturiert sind.

Die Gründe für die Kontinuumchiralität liegen in den intrinsischen Eigenschaften der nanoskaligen Bausteine. Erstens ermöglichen flexible Wasserstoffbrückenbindungen variable Bindungswinkel, erklären Kotov und Kollegen. Zweitens führt die Fähigkeit von Nanobändern zur Ionisierung zu langreichweitigen abstoßenden Wechselwirkungen zwischen nanoskaligen Bausteinen, die über einen weiten Bereich durch Änderung des pH-Werts und der Ionenstärke eingestellt werden können. Und da sich die Nanobänder verdrehen, wird das elektrostatische Gesamtpotential chiral, was die Händigkeit der Anordnungen verstärkt.

„Im Vergleich zu den ‚einfachen' Suprapartikeln, die wir in unserer früheren Arbeit untersucht haben, können die aus chiralen Nanoclustern komplexere Strukturen bilden“, sagt Kotov Physik-Welt. „Durch die Kontrolle ihrer elektrostatischen Wechselwirkungen können wir ihre Größe und Form variieren. Die Etablierung eines solchen Chiralitätskontinuums für synthetische chemische Systeme wie diese komplexen Partikel ermöglicht es uns, ihre Eigenschaften zu manipulieren.“

Verdrehtes Licht trennt Nanopartikel in Echtzeit nach Größe

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Natur, sagen, dass sie jetzt damit beschäftigt sind, Anwendungen für ihre Bowtie-Partikel in der maschinellen Bildverarbeitung zu untersuchen. „Zirkular polarisiertes Licht ist in der Natur selten und daher für solches Sehen sehr attraktiv, da es erlaubt, Rauschen auszublenden“, erklärt Kotov. „Die konstruierten Bowtie-Strukturen könnten auch als Marker für LiDAR- und Polarisationskameras verwendet werden.“

Die verdrillten Nanopartikel könnten auch dazu beitragen, die richtigen Bedingungen für die Herstellung chiraler Medikamente zu schaffen. Chiralität ist eine wichtige Eigenschaft von Arzneimitteln, da Enantiomere desselben Moleküls völlig unterschiedliche chemische und biologische Eigenschaften haben können. Die Unterscheidung zwischen ihnen ist daher besonders für diejenigen interessant, die neue Arzneimittel entwickeln.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/