Pajaritas torcidas creadas con quiralidad continua

Investigadores de la Universidad de Michigan en los EE. UU. han creado micropartículas nanoestructuradas en forma de corbatín cuya quiralidad, o destreza, se puede ajustar continuamente en un amplio rango. Las partículas complejas, que se construyen a partir de componentes simples que son sensibles a la luz polarizada, forman una variedad de formas onduladas que se pueden controlar con precisión. Los nanoensamblajes fotónicamente activos podrían encontrar uso en una gran cantidad de aplicaciones, incluidos dispositivos de detección y alcance de luz (LiDAR), medicina y visión artificial.

En términos matemáticos, la quiralidad es una propiedad geométrica, descrita por funciones matemáticas continuas que pueden representarse como la torsión gradual de un envoltorio de dulce. Por lo tanto, debería ser teóricamente posible una familia de estructuras estables con formas similares y quiralidad progresivamente sintonizable. En química, sin embargo, la quiralidad a menudo se trata como una característica binaria, con moléculas que vienen en dos versiones llamadas enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí, como un par de manos humanas. Esta quiralidad a menudo está "bloqueada" y cualquier intento de modificarla da como resultado la ruptura de la estructura.

Quiralidad continua

Un equipo de investigadores liderado por Nicolás Kotov ha demostrado ahora que las nanoestructuras con forma de corbatín anisótropo tienen una quiralidad continua, lo que significa que se pueden fabricar con un ángulo de giro, un ancho de paso, un grosor y una longitud que se pueden ajustar en un amplio rango. De hecho, el giro se puede controlar desde una estructura para zurdos totalmente girada hasta un panqueque plano y luego hasta una estructura para diestros totalmente girada.

Los moños se hacen mezclando cadmio y cisteína, un fragmento de proteína que viene en variedades para diestros y zurdos, y luego suspendiendo esta mezcla en una solución acuosa. Esta reacción produce nanoláminas que se autoensamblan en cintas que luego se apilan una encima de la otra, formando las nanopartículas en forma de corbatín. Las nanocintas se ensamblan a partir de nanoplaquetas de 50 a 200 nm de longitud con un grosor de aproximadamente 1.2 nm.

"Es importante destacar que el tamaño de las partículas está autolimitado por las interacciones electrostáticas entre las nanoláminas y las partículas en general", explica Kotov, "un mecanismo que descubrimos en un estudio anterior sobre suprapartículas y nanocompuestos en capas".

Si la cisteína es toda zurda, se forman moños zurdos y si es diestra, se forman diestros. Sin embargo, si la mezcla contiene diferentes proporciones de cisteína levógira y levógira, se pueden crear estructuras con giros intermedios. El paso de las pajaritas más estrechas (es decir, aquellas con un giro de 360° en toda su longitud), es de unos 4 µm.

Los investigadores encontraron que las nanoestructuras reflejaban la luz polarizada circularmente (que se propaga a través del espacio en forma de sacacorchos) solo cuando el giro de la luz coincidía con el giro de la forma de corbatín.

5000 formas diferentes

El equipo logró producir 5000 formas diferentes dentro del espectro de corbatín y las estudió en detalle atómico usando difracción de rayos X, difracción de electrones y microscopía electrónica en el Laboratorio Nacional de Argonne. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) muestran que las pajaritas están estructuradas como una pila de nanocintas retorcidas de 200 a 1200 nm de longitud y 45 nm de grosor.

Las razones de la quiralidad continua provienen de las propiedades intrínsecas de los bloques de construcción a nanoescala. Primero, los enlaces de hidrógeno flexibles permiten ángulos de enlace variables, explican Kotov y sus colegas. En segundo lugar, la capacidad de ionización de las nanocintas conduce a interacciones repulsivas de largo alcance entre los bloques de construcción a nanoescala que se pueden ajustar en un amplio rango cambiando el pH y la fuerza iónica. Y dado que las nanocintas se retuercen, el potencial electrostático total se vuelve quiral, lo que refuerza la destreza de los ensamblajes.

"En comparación con las suprapartículas 'simples' que estudiamos en nuestro trabajo anterior, las que están hechas de nanoclusters quirales pueden formar estructuras más complejas", dice Kotov. Mundo de la física. “Controlar sus interacciones electrostáticas nos permite variar su tamaño y forma. Establecer un continuo de quiralidad de este tipo para los sistemas químicos sintéticos, como estas partículas complejas, nos permite diseñar sus propiedades”.

Luz retorcida separa nanopartículas por tamaño en tiempo real

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Naturaleza, dicen que ahora están ocupados buscando aplicaciones para sus partículas de pajarita en la visión artificial. “La luz polarizada circularmente es rara en la naturaleza y, por lo tanto, muy atractiva para esa visión, ya que permite eliminar el ruido”, explica Kotov. "Las estructuras de corbatín diseñadas también podrían usarse como marcadores para LiDAR y cámaras de polarización".

Las nanopartículas retorcidas también pueden ayudar a crear las condiciones adecuadas para producir medicamentos quirales. La quiralidad es una propiedad importante de las drogas, ya que los enantiómeros de la misma molécula pueden tener propiedades químicas y biológicas completamente diferentes. Distinguir entre ellos es, por lo tanto, particularmente interesante para aquellos que desarrollan nuevos productos farmacéuticos.

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