Στριφτά παπιγιόν δημιουργημένα με συνεχή χειραλικότητα

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν στις ΗΠΑ δημιούργησαν νανοδομημένα μικροσωματίδια σε σχήμα παπιγιόν των οποίων η χειρομορφία ή η χειρομορφία μπορούν να συντονιστούν συνεχώς σε ένα ευρύ φάσμα. Τα πολύπλοκα σωματίδια, τα οποία είναι κατασκευασμένα από απλά συστατικά που είναι ευαίσθητα στο πολωμένο φως, σχηματίζουν μια ποικιλία σχημάτων κατσαρώματος που μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια. Τα φωτονικά ενεργά νανοσυγκροτήματα μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων συσκευών ανίχνευσης και εμβέλειας φωτός (LiDAR), ιατρικής και μηχανικής όρασης.

Με μαθηματικούς όρους, η χειραλικότητα είναι μια γεωμετρική ιδιότητα, που περιγράφεται από συνεχείς μαθηματικές συναρτήσεις που μπορούν να απεικονιστούν ως η σταδιακή συστροφή ενός περιτυλίγματος γλυκού. Μια οικογένεια σταθερών δομών με παρόμοια σχήματα και προοδευτικά συντονισμένη χειραλικότητα θα πρέπει επομένως να είναι θεωρητικά δυνατή. Στη χημεία, ωστόσο, η χειραλικότητα αντιμετωπίζεται συχνά ως ένα δυαδικό χαρακτηριστικό, με τα μόρια να έρχονται σε δύο εκδοχές που ονομάζονται εναντιομερή, τα οποία είναι κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλλου - σαν ένα ζευγάρι ανθρώπινων χεριών. Αυτή η χειρομορφία είναι συχνά «κλειδωμένη» και οποιαδήποτε προσπάθεια τροποποιήσεώς της οδηγεί σε σπάσιμο της δομής.

Συνεχής χειραλικότητα

Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Νικόλαος Κότοφ έχει πλέον δείξει ότι οι νανοδομές με ανισότροπο σχήμα παπιγιόν έχουν συνεχή χειραλικότητα, που σημαίνει ότι μπορούν να κατασκευαστούν με γωνία συστροφής, πλάτος βήματος, πάχος και μήκος που μπορούν να συντονιστούν σε ένα ευρύ φάσμα. Πράγματι, η συστροφή μπορεί να ελεγχθεί σε όλη τη διαδρομή από μια πλήρως στριμμένη αριστερόχειρη κατασκευή σε μια επίπεδη τηγανίτα και στη συνέχεια σε μια πλήρως στριμμένη δομή δεξιόχειρα.

Τα παπιγιόν κατασκευάζονται με ανάμειξη καδμίου και κυστεΐνης, ενός θραύσματος πρωτεΐνης που διατίθεται σε αριστερόχειρες και δεξιόχειρες ποικιλίες, και στη συνέχεια εναιωρώντας αυτό το μείγμα σε ένα υδατικό διάλυμα. Αυτή η αντίδραση παράγει νανοφύλλα που αυτοσυναρμολογούνται σε κορδέλες που στη συνέχεια αυτο-στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζοντας τα νανοσωματίδια σε σχήμα παπιγιόν. Οι νανοκορδέλες συναρμολογούνται από νανοαιμοπετάλια μήκους 50–200 nm με πάχος περίπου 1.2 nm

«Είναι σημαντικό ότι το μέγεθος των σωματιδίων περιορίζεται από τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νανοφύλλων και των σωματιδίων συνολικά», εξηγεί ο Kotov, «ένας μηχανισμός που ανακαλύψαμε σε προηγούμενη μελέτη για τα υπερσωματίδια και τα νανοσύνθετα σε στρώσεις».

Εάν η κυστεΐνη είναι όλη αριστερόχειρα, σχηματίζονται αριστερόχειρες παπιγιές και αν είναι δεξιόχειρες, σχηματίζονται δεξιόχειρες. Ωστόσο, εάν το μείγμα περιέχει διαφορετικές αναλογίες αριστερόστροφης και δεξιάς κυστεΐνης, μπορούν να δημιουργηθούν δομές με ενδιάμεσες ανατροπές. Το βήμα των πιο στενών παπιγιόν (δηλαδή αυτών με στροφή 360° σε όλο το μήκος τους), είναι περίπου 4 μm.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι νανοδομές αντανακλούσαν κυκλικά πολωμένο φως (το οποίο διαδίδεται στο χώρο σε σχήμα τιρμπουσόν) μόνο όταν η συστροφή στο φως ταίριαζε με τη συστροφή στο σχήμα του παπιγιόν.

5000 διαφορετικά σχήματα

Η ομάδα πέτυχε να παράγει 5000 διαφορετικά σχήματα μέσα στο φάσμα του παπιγιόν και τα μελέτησε με ατομική λεπτομέρεια χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, περίθλαση ηλεκτρονίων και ηλεκτρονική μικροσκοπία στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne. Οι εικόνες με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) δείχνουν ότι τα παπιγιόν είναι δομημένα ως μια στοίβα στριμμένων νανοκορδέλες μήκους 200–1200 nm και πάχους 45 nm.

Οι λόγοι για τη συνεχή χειραλικότητα προέρχονται χάρη στις εγγενείς ιδιότητες των δομικών στοιχείων νανοκλίμακας. Πρώτον, οι εύκαμπτοι δεσμοί υδρογόνου επιτρέπουν μεταβλητές γωνίες δεσμών, εξηγούν ο Kotov και οι συνεργάτες του. Δεύτερον, η ικανότητα των νανοκορδέλας να ιονίζονται οδηγεί σε απωστικές αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας μεταξύ δομικών στοιχείων νανοκλίμακας που μπορούν να συντονιστούν σε ένα ευρύ φάσμα αλλάζοντας το pH και την ιοντική ισχύ. Και αφού οι νανοκορδέλες συστρέφονται, το συνολικό ηλεκτροστατικό δυναμικό γίνεται χειρόμορφο, γεγονός που ενισχύει την ευελιξία των συγκροτημάτων.

«Σε σύγκριση με τα «απλά» υπερσωματίδια που μελετήσαμε στην προηγούμενη εργασία μας, αυτά που κατασκευάζονται από χειρόμορφα νανοσύστημα μπορούν να σχηματίσουν πιο πολύπλοκες δομές», λέει ο Kotov. Κόσμος Φυσικής. «Ο έλεγχος των ηλεκτροστατικών τους αλληλεπιδράσεων μας δίνει τη δυνατότητα να αλλάξουμε το μέγεθος και το σχήμα τους. Η δημιουργία ενός τέτοιου συνεχούς χειραλικότητας για συνθετικά χημικά συστήματα, όπως αυτά τα πολύπλοκα σωματίδια, μας επιτρέπει να σχεδιάσουμε τις ιδιότητές τους».

Το συνεστραμμένο φως διαχωρίζει τα νανοσωματίδια κατά μέγεθος σε πραγματικό χρόνο

Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Φύση, λένε ότι τώρα είναι απασχολημένοι με την αναζήτηση εφαρμογών για τα σωματίδια παπιγιόν τους στη μηχανική όραση. «Το κυκλικό πολωμένο φως είναι σπάνιο στη φύση και επομένως πολύ ελκυστικό για μια τέτοια όραση, καθώς επιτρέπει σε κάποιον να κόψει τον θόρυβο», εξηγεί ο Kotov. «Οι κατασκευασμένες δομές παπιγιόν θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως δείκτες για κάμερες LiDAR και πόλωσης».

Τα στριμμένα νανοσωματίδια μπορούν επίσης να βοηθήσουν στη δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών για την παραγωγή χειρόμορφων φαρμάκων. Η χειρομορφία είναι μια σημαντική ιδιότητα των φαρμάκων, καθώς τα εναντιομερή του ίδιου μορίου μπορεί να έχουν εντελώς διαφορετικές χημικές και βιολογικές ιδιότητες. Η διάκριση μεταξύ τους είναι επομένως ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για όσους αναπτύσσουν νέα φαρμακευτικά προϊόντα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/