Noeuds papillon torsadés créés avec une chiralité continue

Des chercheurs de l'Université du Michigan aux États-Unis ont créé des microparticules nanostructurées en forme de nœud papillon dont la chiralité, ou la sensibilité, peut être réglée en continu sur une large plage. Les particules complexes, qui sont construites à partir de composants simples sensibles à la lumière polarisée, forment une variété de formes de bouclage qui peuvent être contrôlées avec précision. Les nanoassemblages photoniquement actifs pourraient trouver une utilisation dans une foule d'applications, y compris les dispositifs de détection et de télémétrie de la lumière (LiDAR), la médecine et la vision artificielle.

En termes mathématiques, la chiralité est une propriété géométrique, décrite par des fonctions mathématiques continues qui peuvent être décrites comme la torsion progressive d'un emballage de bonbon. Une famille de structures stables avec des formes similaires et une chiralité progressivement réglable devrait donc être théoriquement possible. En chimie, cependant, la chiralité est souvent traitée comme une caractéristique binaire, les molécules se déclinant en deux versions appelées énantiomères, qui sont des images miroir l'une de l'autre - un peu comme une paire de mains humaines. Cette chiralité est souvent « enfermée » et toute tentative de la modifier aboutit à casser la structure.

Chiralité continue

Une équipe de chercheurs dirigée par Nicolas Kotov a maintenant montré que les nanostructures en forme de nœud papillon anisotrope ont une chiralité continue, ce qui signifie qu'elles peuvent être fabriquées avec un angle de torsion, une largeur de pas, une épaisseur et une longueur qui peuvent être réglés sur une large plage. En effet, la torsion peut être maîtrisée d'une structure entièrement torsadée à gauche à une galette plate puis à une structure entièrement torsadée à droite.

Les nœuds papillon sont fabriqués en mélangeant du cadmium et de la cystéine, un fragment de protéine qui existe en variétés gauchers et droitiers, puis en suspendant ce mélange dans une solution aqueuse. Cette réaction produit des nanofeuilles qui s'auto-assemblent en rubans qui s'empilent ensuite les uns sur les autres, formant les nanoparticules en forme de nœud papillon. Les nanorubans sont assemblés à partir de nanoplaquettes de 50 à 200 nm de longueur avec une épaisseur d'environ 1.2 nm

"Il est important de noter que la taille des particules est auto-limitée par les interactions électrostatiques entre les nanofeuilles et les particules dans leur ensemble", explique Kotov, "un mécanisme que nous avons découvert dans une étude précédente sur les supraparticules et les nanocomposites en couches".

Si la cystéine est entièrement gaucher, des nœuds papillons gauchers se forment et s'il est droitier, des nœuds papillons droitiers se forment. Si le mélange contient des ratios différents de cystéine gauche et droite, cependant, des structures avec des torsions intermédiaires peuvent être créées. Le pas des nœuds papillon les plus serrés (c'est-à-dire ceux qui tournent à 360° sur toute leur longueur) est d'environ 4 µm.

Les chercheurs ont découvert que les nanostructures reflétaient la lumière polarisée circulairement (qui se propage dans l'espace en forme de tire-bouchon) uniquement lorsque la torsion de la lumière correspondait à la torsion de la forme du nœud papillon.

5000 formes différentes

L'équipe a réussi à produire 5000 formes différentes dans le spectre du nœud papillon et les a étudiées en détail atomique en utilisant la diffraction des rayons X, la diffraction électronique et la microscopie électronique au Laboratoire national d'Argonne. Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) montrent que les nœuds papillon sont structurés comme un empilement de nanorubans torsadés de 200 à 1200 nm de longueur et de 45 nm d'épaisseur.

Les raisons de la chiralité du continuum proviennent des propriétés intrinsèques des blocs de construction à l'échelle nanométrique. Premièrement, les liaisons hydrogène flexibles permettent des angles de liaison variables, expliquent Kotov et ses collègues. Deuxièmement, la capacité des nanorubans à s'ioniser conduit à des interactions répulsives à longue portée entre les blocs de construction à l'échelle nanométrique qui peuvent être réglés sur une large plage en modifiant le pH et la force ionique. Et comme les nanorubans se tordent, le potentiel électrostatique total devient chiral, ce qui renforce la sensibilité des assemblages.

"Par rapport aux supraparticules" simples "que nous avons étudiées dans nos travaux précédents, celles fabriquées à partir de nanoclusters chiraux peuvent former des structures plus complexes", explique Kotov. Monde de la physique. « La maîtrise de leurs interactions électrostatiques nous permet de faire varier leur taille et leur forme. L'établissement d'un tel continuum de chiralité pour les systèmes chimiques synthétiques, tels que ces particules complexes, nous permet de concevoir leurs propriétés.

La lumière torsadée sépare les nanoparticules par taille en temps réel

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Nature, disent qu'ils sont maintenant occupés à rechercher des applications pour leurs particules de nœud papillon dans la vision industrielle. "La lumière à polarisation circulaire est rare dans la nature et donc très attrayante pour une telle vision car elle permet de couper le bruit", explique Kotov. "Les structures en nœud papillon conçues pourraient également être utilisées comme marqueurs pour les caméras LiDAR et à polarisation."

Les nanoparticules torsadées peuvent également aider à créer les bonnes conditions pour produire des médicaments chiraux. La chiralité est une propriété importante des médicaments, car les énantiomères d'une même molécule peuvent avoir des propriétés chimiques et biologiques entièrement différentes. Leur distinction est donc particulièrement intéressante pour ceux qui développent de nouveaux produits pharmaceutiques.

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