פפיון מעוות שנוצר עם כיראליות מתמשכת

חוקרים מאוניברסיטת מישיגן בארה"ב יצרו מיקרו-חלקיקים ננו-מובנים בצורת עניבת פרפר שניתן לכוונן את הכירליות שלהם, או את מידת הידיות, ברציפות בטווח רחב. החלקיקים המורכבים, הבנויים ממרכיבים פשוטים הרגישים לאור מקוטב, יוצרים מגוון צורות מסתלסל הניתנות לשליטה מדויקת. הננו-מכלולים הפעילים מבחינה פוטונית עשויים למצוא שימוש במגוון יישומים, כולל התקני זיהוי וטווח אור (LiDAR), רפואה וראיית מכונה.

במונחים מתמטיים, כיראליות היא תכונה גיאומטרית, המתוארת על ידי פונקציות מתמטיות רציפות שניתן לתאר כפיתול הדרגתי של עטיפה מתוקה. משפחה של מבנים יציבים עם צורות דומות וכיראליות הניתנת להתאמה הדרגתית צריכה להיות אפשרית תיאורטית. בכימיה, לעומת זאת, מתייחסים לכיראליות לעתים קרובות כמאפיין בינארי, כאשר מולקולות מגיעות בשתי גרסאות הנקראות אננטיומרים, שהן תמונות מראה זו של זו - בדומה לזוג ידיים אנושיות. כיראליות זו לרוב "נעולה" וכל ניסיון לשנות אותה מביא לשבירת המבנה.

כיראליות מתמשכת

צוות חוקרים בראשות ניקולס קוטוב כעת הראה שלננו-מבנים בעלי צורת פפיון אנזוטרופית יש כיראליות מתמשכת, כלומר ניתן לייצר אותם עם זווית פיתול, רוחב, עובי ואורך שניתן לכוונן על פני טווח רחב. ואכן, ניתן לשלוט בטוויסט לאורך כל הדרך ממבנה יד שמאל מעוות לחלוטין לפנקייק שטוח ולאחר מכן למבנה ימני מעוות לחלוטין.

הפרפרונים מיוצרים על ידי ערבוב של קדמיום וציסטאין, שבר חלבון שמגיע בזנים שמאליים וימין, ולאחר מכן השעיית תערובת זו בתמיסה מימית. תגובה זו מייצרת יריעות ננו שמתגבשות בעצמן לסרטים ואז נערמים בעצמם זה על גבי זה, ויוצרים את הננו-חלקיקים בצורת פפיון. סרטי הננו מורכבים מננו-טסיות באורך 50-200 ננומטר בעובי של כ-1.2 ננומטר.

"חשוב לציין, שגודל החלקיקים מוגבל בעצמו על ידי האינטראקציות האלקטרוסטטיות בין הננו-יריעות לחלקיקים באופן כללי", מסביר קוטוב, "מנגנון שגילינו במחקר קודם על חלקיקים על וננו-מרוכבים בשכבות".

אם הציסטאין כולו שמאלני, נוצרים קפיונים שמאליים ואם הוא ימני, נוצרים ימניים. אם התערובת מכילה יחסים שונים של ציסטאין ימני ושמאלי, לעומת זאת, ניתן ליצור מבנים עם פיתולים ביניים. הגובה של הפרפרונים ההדוקים ביותר (כלומר, אלה עם סיבוב של 360 מעלות לכל אורכם), הוא כ-4 מיקרומטר.

החוקרים גילו שהננו-מבנים החזירו אור מקוטב מעגלי (המתפשט דרך החלל בצורת חולץ פקקים) רק כאשר הפיתול באור תואם את הפיתול בצורת עניבת הפרפר.

5000 צורות שונות

הצוות הצליח לייצר 5000 צורות שונות בספקטרום עניבת הפרפר וחקר אותן בפירוט אטומי באמצעות עקיפה של קרני רנטגן, עקירת אלקטרונים ומיקרוסקופ אלקטרונים במעבדה הלאומית של ארגון. תמונות של מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM) מראות שהפרפרונים בנויים כערימה של סרטי ננו מעוותים באורך 200-1200 ננומטר ובעובי של 45 ננומטר.

הסיבות לכיראליות הרצף מגיעות הודות לתכונות הפנימיות של אבני הבניין הננומטריות. ראשית, קשרי מימן גמישים מאפשרים זוויות קשר משתנות, מסבירים קוטוב ועמיתיו. שנית, יכולתם של ננו-סרטים ליינן מובילה לאינטראקציות דוחה ארוכות טווח בין אבני בניין בקנה מידה ננוטי שניתן לכוונן על פני טווח רחב על ידי שינוי ה-pH וחוזק היוני. ומכיוון שסרטי הננו מתפתלים, הפוטנציאל האלקטרוסטטי הכולל הופך לכיראלי, מה שמחזק את הידידותיות של המכלולים.

"בהשוואה לחלקיקים העל ה'פשוטים' שלמדנו בעבודה הקודמת שלנו, אלו שעשויים מננו-צבירים כיראליים יכולים ליצור מבנים מורכבים יותר", אומר קוטוב עולם הפיזיקה. "שליטה באינטראקציות האלקטרוסטטיות שלהם מאפשרת לנו לשנות את הגודל והצורה שלהם. הקמת רצף כיראליות כזה למערכות כימיות סינתטיות, כמו החלקיקים המורכבים הללו, מאפשרת לנו להנדס את תכונותיהן".

אור מעוות מפריד בין ננו-חלקיקים לפי גודל בזמן אמת

החוקרים המדווחים על עבודתם ב טבע, אומרים שהם עסוקים כעת בלבחון יישומים עבור חלקיקי עניבת הפרפר שלהם בראיית מכונה. "אור מקוטב מעגלי הוא נדיר בטבעו ולכן מאוד אטרקטיבי עבור ראייה כזו מכיוון שהוא מאפשר לחתוך רעשים", מסביר קוטוב. "מבני הפרפר המהונדסים יכולים לשמש גם כסמנים עבור מצלמות LiDAR ומצלמות קיטוב."

הננו-חלקיקים המעוותים עשויים גם לסייע ביצירת התנאים הנכונים לייצור תרופות כיראליות. כיראליות היא תכונה חשובה של תרופות, שכן לאננטיומרים של אותה מולקולה יכולים להיות תכונות כימיות וביולוגיות שונות לחלוטין. ההבחנה ביניהם מעניינת אפוא במיוחד את אלה שמפתחים תרופות חדשות.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/