Papillon intrecciati creati con continua chiralità

I ricercatori dell'Università del Michigan negli Stati Uniti hanno creato microparticelle nanostrutturate a forma di papillon la cui chiralità, o manualità, può essere regolata continuamente su un'ampia gamma. Le particelle complesse, che sono costituite da componenti semplici sensibili alla luce polarizzata, formano una varietà di forme arricciate che possono essere controllate con precisione. I nanoassiemi fotonicamente attivi potrebbero trovare impiego in una serie di applicazioni, tra cui dispositivi di rilevamento e misurazione della luce (LiDAR), medicina e visione artificiale.

In termini matematici, la chiralità è una proprietà geometrica, descritta da funzioni matematiche continue che possono essere raffigurate come il graduale attorcigliarsi di un involucro di dolce. Una famiglia di strutture stabili con forme simili e chiralità progressivamente sintonizzabile dovrebbe quindi essere teoricamente possibile. In chimica, tuttavia, la chiralità è spesso trattata come una caratteristica binaria, con le molecole che si presentano in due versioni chiamate enantiomeri, che sono immagini speculari l'una dell'altra, proprio come un paio di mani umane. Questa chiralità è spesso “rinchiusa” e qualsiasi tentativo di modificarla si traduce nella rottura della struttura.

Chiralità continua

Un team di ricercatori guidato da Nicola Kotov ha ora dimostrato che le nanostrutture con una forma a papillon anisotropa hanno una chiralità continua, il che significa che possono essere fabbricate con un angolo di torsione, larghezza del passo, spessore e lunghezza che possono essere regolati su un'ampia gamma. In effetti, la torsione può essere controllata da una struttura per mancini completamente attorcigliata a una frittella piatta e quindi a una struttura per destrimani completamente attorcigliata.

I papillon sono realizzati mescolando cadmio e cisteina, un frammento proteico disponibile in varietà mancine e destrorse, e quindi sospendendo questa miscela in una soluzione acquosa. Questa reazione produce nanofogli che si autoassemblano in nastri che poi si impilano uno sopra l'altro, formando le nanoparticelle a forma di papillon. I nanonastri sono assemblati da nanopiastrine lunghe 50-200 nm con uno spessore di circa 1.2 nm

«È importante sottolineare che la dimensione delle particelle è auto-limitata dalle interazioni elettrostatiche tra i nanosheet e le particelle in generale», spiega Kotov, «un meccanismo che abbiamo scoperto in uno studio precedente su sopraparticelle e nanocompositi stratificati».

Se la cisteina è tutta mancina, si formano i papillon mancini e se è destrimani, si formano i destrorsi. Se la miscela contiene rapporti diversi di cisteina sinistra e destra, tuttavia, è possibile creare strutture con torsioni intermedie. Il passo dei papillon più stretti (cioè quelli con un giro di 360° su tutta la loro lunghezza), è di circa 4 µm.

I ricercatori hanno scoperto che le nanostrutture riflettevano la luce polarizzata circolarmente (che si propaga nello spazio a forma di cavatappi) solo quando la torsione della luce corrispondeva alla torsione della forma del papillon.

5000 diverse forme

Il team è riuscito a produrre 5000 forme diverse all'interno dello spettro del papillon e le ha studiate in dettaglio atomico utilizzando la diffrazione dei raggi X, la diffrazione elettronica e la microscopia elettronica presso l'Argonne National Laboratory. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) mostrano che i papillon sono strutturati come una pila di nanonastri intrecciati lunghi 200-1200 nm e spessi 45 nm.

Le ragioni della chiralità continua derivano dalle proprietà intrinseche dei blocchi costitutivi su scala nanometrica. In primo luogo, i legami idrogeno flessibili consentono angoli di legame variabili, spiegano Kotov e colleghi. In secondo luogo, la capacità dei nanoribbon di ionizzarsi porta a interazioni repulsive a lungo raggio tra blocchi di costruzione su scala nanometrica che possono essere sintonizzati su un'ampia gamma modificando il pH e la forza ionica. E poiché i nanonastri si attorcigliano, il potenziale elettrostatico totale diventa chirale, il che rafforza la manualità degli assemblaggi.

"Rispetto alle 'semplici' sopraparticelle che abbiamo studiato nel nostro lavoro precedente, quelle fatte da nanocluster chirali possono formare strutture più complesse", dice Kotov Mondo della fisica. “Il controllo delle loro interazioni elettrostatiche ci consente di variarne le dimensioni e la forma. Stabilire un tale continuum di chiralità per i sistemi chimici sintetici, come queste particelle complesse, ci consente di ingegnerizzare le loro proprietà».

La luce contorta separa le nanoparticelle per dimensione in tempo reale

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Natura, dicono che ora sono impegnati a esaminare le applicazioni per le loro particelle bowtie nella visione artificiale. "La luce polarizzata circolarmente è rara in natura e quindi molto attraente per tale visione poiché consente di eliminare il rumore", spiega Kotov. "Le strutture ingegnerizzate del papillon potrebbero anche essere utilizzate come marcatori per fotocamere LiDAR e polarizzate".

Le nanoparticelle contorte possono anche contribuire a creare le giuste condizioni per la produzione di medicinali chirali. La chiralità è una proprietà importante dei farmaci, poiché gli enantiomeri della stessa molecola possono avere proprietà chimiche e biologiche completamente diverse. Distinguere tra loro è quindi particolarmente interessante per coloro che sviluppano nuovi farmaci.

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