Pideva kiraalsusega loodud keerutatud kikid

USA Michigani ülikooli teadlased on loonud kikikujulisi nanostruktuuriga mikroosakesi, mille kiraalsust ehk käelisust saab laias vahemikus pidevalt häälestada. Komplekssed osakesed, mis on konstrueeritud lihtsatest polariseeritud valguse suhtes tundlikest komponentidest, moodustavad mitmesuguseid kõverduvaid kujundeid, mida saab täpselt juhtida. Fotoniliselt aktiivseid nanokooste võib kasutada paljudes rakendustes, sealhulgas valguse tuvastamise ja kauguse määramise (LiDAR) seadmetes, meditsiinis ja masinnägemises.

Matemaatilises mõttes on kiraalsus geomeetriline omadus, mida kirjeldavad pidevad matemaatilised funktsioonid, mida võib kujutada magusa ümbrise järkjärgulise keerdumisena. Seetõttu peaks teoreetiliselt olema võimalik luua sarnase kuju ja järk-järgult häälestatava kiraalsusega stabiilsete struktuuride perekond. Keemias käsitletakse kiraalsust sageli binaarse tunnusena, kusjuures molekulid on kahes versioonis, mida nimetatakse enantiomeerideks, mis on üksteise peegelpildid – sarnaselt inimese kätepaariga. See kiraalsus on sageli "lukus" ja iga katse seda muuta põhjustab struktuuri purunemise.

Pidev kiraalsus

Teadlaste meeskond eesotsas Nikolai Kotov on nüüd näidanud, et anisotroopse kikilipsu kujuga nanostruktuuridel on pidev kiraalsus, mis tähendab, et neid saab valmistada pöördenurga, sammu laiuse, paksuse ja pikkusega, mida saab häälestada laias vahemikus. Tõepoolest, keerdumist saab juhtida alates täielikult keeratud vasakukäelisest konstruktsioonist kuni lameda pannkoogi ja seejärel täielikult keeratud parempoolse konstruktsioonini.

Kikilipsud valmistatakse kaadmiumi ja tsüsteiini, vasaku- ja paremakäelise valgufragmendi, segamisel ning seejärel selle segu suspendeerimisel vesilahuses. See reaktsioon tekitab nanolehti, mis koonduvad ise lintideks, mis seejärel üksteise peale virnastuvad, moodustades kikikujulised nanoosakesed. Nanoribad on kokku pandud nanotrombotsüütidest pikkusega 50–200 nm paksusega ligikaudu 1.2 nm

"Oluline on see, et osakeste suurus on ise piiratud nanolehtede ja osakeste vahelise elektrostaatilise interaktsiooni tõttu, " selgitab Kotov, "mehhanism, mille avastasime eelmises supraosakeste ja kihiliste nanokomposiitide uuringus."

Kui tsüsteiin on üleni vasakukäeline, tekivad vasakukäelised ja kui paremkäelised, siis paremakäelised. Kui segu sisaldab erinevas vahekorras vasaku- ja paremakäelise tsüsteiini, võib aga luua vahepealsete keerdudega struktuure. Kõige tihedamate kikipaelte (st nende, mille pöörded on kogu pikkuses 360°) samm on umbes 4 µm.

Uurijad leidsid, et nanostruktuurid peegeldasid ringikujuliselt polariseeritud valgust (mis levib läbi ruumi korgitseri kujul) ainult siis, kui valguse keerd langes kokku kikilipsu kujuga.

5000 erinevat kuju

Meeskonnal õnnestus luua kikilipsu spektris 5000 erinevat kuju ja uurida neid aatomite üksikasjalikult, kasutades röntgendifraktsiooni, elektronide difraktsiooni ja elektronmikroskoopiat Argonne'i riiklikus laboris. Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) kujutised näitavad, et kikid on struktureeritud keerdunud nanoribade virna, mille pikkus on 200–1200 nm ja paksus 45 nm.

Pideva kiraalsuse põhjused tulenevad nanomõõtmeliste ehitusplokkide olemuslikest omadustest. Esiteks võimaldavad paindlikud vesiniksidemed muutuvaid sidemete nurki, selgitavad Kotov ja kolleegid. Teiseks põhjustab nanoribade ioniseerimisvõime pikaajalisi tõrjuvaid koostoimeid nanomõõtmeliste ehitusplokkide vahel, mida saab pH-d ja ioontugevust muutes laias vahemikus häälestada. Ja kuna nanoribad keerduvad, muutub kogu elektrostaatiline potentsiaal kiraalseks, mis tugevdab sõlmede käelisust.

"Võrreldes "lihtsate" supraosakestega, mida me oma varasemas töös uurisime, võivad kiraalsetest nanoklastritest valmistatud osakesed moodustada keerukamaid struktuure," räägib Kotov. Füüsika maailm. "Nende elektrostaatiliste interaktsioonide juhtimine võimaldab meil muuta nende suurust ja kuju. Sellise kiraalsuse kontiinumi loomine sünteetiliste keemiliste süsteemide jaoks, nagu need keerulised osakesed, võimaldab meil kujundada nende omadusi.

Keerutatud valgus eraldab nanoosakesed suuruse järgi reaalajas

Teadlased, kes teatavad oma tööst aastal loodusväidavad, et nad otsivad praegu oma kikilipsuosakeste rakendusi masinnägemises. "Ringpolariseeritud valgus on looduses haruldane ja seega väga atraktiivne sellise nägemise jaoks, kuna see võimaldab müra välja lõigata," selgitab Kotov. "Projekteeritud kikilipsu struktuure saab kasutada ka LiDAR-i ja polarisatsioonikaamerate markeritena."

Keerutatud nanoosakesed võivad samuti aidata luua õigeid tingimusi kiraalsete ravimite tootmiseks. Kiraalsus on ravimite oluline omadus, kuna sama molekuli enantiomeeridel võivad olla täiesti erinevad keemilised ja bioloogilised omadused. Nende eristamine pakub seega erilist huvi uute ravimite väljatöötajatele.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/