Folyamatos kiralitással létrehozott csavart csokorkák

Az amerikai Michigani Egyetem kutatói csokornyakkendő alakú nanoszerkezetű mikrorészecskéket hoztak létre, amelyek kiralitása, vagyis kézisége széles tartományban folyamatosan hangolható. A polarizált fényre érzékeny, egyszerű alkatrészekből felépülő összetett részecskék sokféle, precízen szabályozható hullámos formát alkotnak. A fotonikusan aktív nanoszerelvények számos alkalmazásban használhatók, beleértve a fényérzékelő és távolságmérő (LiDAR) eszközöket, az orvostudományt és a gépi látást.

Matematikai értelemben a kiralitás egy geometriai tulajdonság, amelyet folytonos matematikai függvények írnak le, amelyek egy édességcsomag fokozatos megcsavarásaként képzelhetők el. Ezért elméletileg lehetségesnek kell lennie egy hasonló alakú és fokozatosan hangolható kiralitású stabil struktúrák családjának. A kémiában azonban a kiralitást gyakran bináris jellemzőként kezelik, a molekulák két változata, az enantiomerek, amelyek egymás tükörképei – hasonlóan egy pár emberi kézhez. Ez a kiralitás gyakran „be van zárva”, és minden módosítási kísérlet a szerkezet felbomlásához vezet.

Folyamatos kiralitás

Az általa vezetett kutatócsoport Miklós Kotov bemutatta, hogy az anizotróp csokornyakkendő alakú nanostruktúrák folyamatos kiralitást mutatnak, ami azt jelenti, hogy széles tartományban hangolható csavarási szöggel, osztásszélességgel, vastagsággal és hosszúsággal gyárthatók. Valójában a csavarás a teljesen csavart balos szerkezettől a lapos palacsintáig, majd a teljesen csavart jobbos szerkezetig irányítható.

A masnikat úgy készítik, hogy kadmiumot és ciszteint, egy fehérjefragmentumot bal- és jobbkezes változatban kevernek össze, majd ezt a keveréket vizes oldatban szuszpendálják. Ez a reakció nanolapokat hoz létre, amelyek önmagukban szalagokká állnak össze, amelyek aztán egymásra rakódnak, és így alakulnak ki a csokornyakkendő alakú nanorészecskék. A nanoszalagok 50-200 nm hosszúságú, nagyjából 1.2 nm vastagságú nanolemezkékből állnak össze.

„Fontos, hogy a részecskék méretét önkorlátozza a nanorétegek és a részecskék közötti elektrosztatikus kölcsönhatások” – magyarázza Kotov – „egy olyan mechanizmust, amelyet a szuprarészecskékről és a réteges nanokompozitokról szóló korábbi tanulmányunkban fedeztünk fel.”

Ha a cisztein csupa balkezes, akkor balkezes csokor, ha jobbkezes, akkor jobbkezes. Ha azonban a keverék eltérő arányban tartalmaz bal- és jobbkezes ciszteint, akkor köztes csavarású struktúrák jöhetnek létre. A legszűkebb csokortartók (azaz a teljes hosszukban 360°-os elfordulásúak) emelkedése körülbelül 4 µm.

A kutatók azt találták, hogy a nanostruktúrák csak akkor verték vissza a körkörösen polarizált fényt (amely dugóhúzó alakban terjed a térben), ha a fény csavarodása megegyezett a csokornyakkendő alakjának csavarásával.

5000 különböző forma

A csapatnak sikerült 5000 különböző alakzatot előállítania a csokornyakkendő spektrumán belül, és ezeket atomi részletességgel tanulmányozta röntgendiffrakciós, elektrondiffrakciós és elektronmikroszkópos módszerrel az Argonne National Laboratoryban. A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételek azt mutatják, hogy a bowties 200–1200 nm hosszú és 45 nm vastag, csavart nanoszalagok halmaza.

A folytonos kiralitás oka a nanoméretű építőelemek belső tulajdonságainak köszönhető. Először is, a rugalmas hidrogénkötések változó kötési szögeket tesznek lehetővé, magyarázza Kotov és munkatársai. Másodszor, a nanoszalagok ionizáló képessége hosszú távú taszító kölcsönhatásokhoz vezet a nanoméretű építőelemek között, amelyek a pH és az ionerősség változtatásával széles tartományban hangolhatók. És mivel a nanoszalagok csavarodnak, a teljes elektrosztatikus potenciál királissá válik, ami megerősíti az összeállítások kézi képességét.

„A korábbi munkánk során vizsgált „egyszerű” szuprarészecskékhez képest a királis nanoklaszterekből készültek összetettebb struktúrákat tudnak kialakítani” – mondja Kotov. Fizika Világa. „Az elektrosztatikus kölcsönhatások szabályozása lehetővé teszi, hogy változtatjuk méretüket és alakjukat. Egy ilyen kiralitási kontinuum létrehozása szintetikus kémiai rendszerekre, például ezekre az összetett részecskékre, lehetővé teszi számunkra, hogy megtervezzük tulajdonságaikat.

A csavart fény valós időben választja el a nanorészecskéket méretük szerint

A kutatók, akik beszámolnak munkájukról Természet, azt mondják, hogy jelenleg a csokornyakkendő-részecskék gépi látásban való alkalmazásaival foglalkoznak. „A körkörösen polarizált fény ritka a természetben, ezért nagyon vonzó az ilyen látás szempontjából, mivel lehetővé teszi a zaj kiiktatását” – magyarázza Kotov. "A megtervezett csokornyakkendő-szerkezetek LiDAR és polarizációs kamerák markereiként is használhatók."

A csavart nanorészecskék hozzájárulhatnak a megfelelő feltételek megteremtéséhez a királis gyógyszerek előállításához. A kiralitás a gyógyszerek fontos tulajdonsága, mivel ugyanazon molekula enantiomerjei teljesen eltérő kémiai és biológiai tulajdonságokkal rendelkezhetnek. Így ezek megkülönböztetése különösen az új gyógyszereket fejlesztők számára érdekes.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/