연속적인 키랄성으로 생성된 트위스티드 보타이

미국 미시간 대학의 연구원들은 나비 넥타이 모양의 나노 구조 미세 입자를 만들었습니다. 이 미세 입자의 키랄성 또는 손잡이는 광범위하게 지속적으로 조정될 수 있습니다. 편광에 민감한 단순 구성요소로 구성된 복합 입자는 정밀하게 제어할 수 있는 다양한 컬링 모양을 형성합니다. 광활성 나노조립체는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 장치, 의학 및 머신 비전을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

수학적 용어에서 키랄성은 달콤한 포장지가 점진적으로 꼬이는 것으로 묘사될 수 있는 연속적인 수학적 함수로 설명되는 기하학적 특성입니다. 따라서 유사한 모양과 점진적으로 조정 가능한 키랄성을 가진 안정적인 구조 계열이 이론적으로 가능해야 합니다. 그러나 화학에서 키랄성은 종종 거울상이성질체(enantiomers)라고 하는 두 가지 버전의 분자가 있는 이진 특성으로 취급되며, 이는 서로의 거울상입니다. 마치 한 쌍의 인간 손과 같습니다. 이 키랄성은 종종 "고정"되며 이를 수정하려는 모든 시도는 구조를 깨뜨리는 결과를 낳습니다.

지속적인 키랄성

가 이끄는 연구팀 니콜라스 코토프 이제 이방성 나비 넥타이 모양을 가진 나노 구조가 연속적인 키랄성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 실제로 트위스트는 완전히 트위스트된 왼손잡이 구조에서 평평한 팬케이크를 거쳐 완전히 트위스트된 오른손잡이 구조까지 모든 방식으로 제어할 수 있습니다.

보타이는 카드뮴과 시스테인(왼손잡이용과 오른손잡이용으로 구분되는 단백질 조각)을 혼합한 다음 이 혼합물을 수용액에 현탁시켜 만듭니다. 이 반응은 나비 넥타이 모양의 나노 입자를 형성하는 리본으로 자체 조립되는 나노 시트를 생성한 다음 서로의 위에 자체 스택을 쌓습니다. 나노리본은 대략 50nm의 두께로 길이가 200-1.2nm인 나노판으로 조립됩니다.

"중요한 것은 입자의 크기가 나노시트와 입자 전체 사이의 정전기적 상호작용에 의해 자체 제한된다는 것입니다."라고 Kotov는 설명합니다.

시스테인이 모두 왼손잡이면 왼손잡이가 되고 오른손잡이면 오른손잡이가 된다. 그러나 혼합물에 다른 비율의 왼손잡이와 오른손잡이 시스테인이 포함되어 있으면 중간 꼬임이 있는 구조가 생성될 수 있습니다. 가장 타이트한 보타이(즉, 전체 길이에 걸쳐 360° 회전하는 것)의 피치는 약 4μm입니다.

연구자들은 빛의 비틀림이 나비넥타이 모양의 비틀림과 일치할 때만 나노구조가 원편광(나비모양의 공간을 통해 전파되는)을 반사한다는 것을 발견했습니다.

5000 가지 모양

연구팀은 보타이 스펙트럼 내에서 5000개의 다른 모양을 생성하는 데 성공했으며 Argonne National Laboratory에서 X선 ​​회절, 전자 회절 및 전자 현미경을 사용하여 원자 세부 사항을 연구했습니다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 보타이가 길이 200~1200nm, 두께 45nm의 꼬인 나노리본 스택으로 구성되어 있음을 보여줍니다.

연속체 키랄성에 대한 이유는 나노스케일 빌딩 블록의 고유한 특성 덕분입니다. 첫째, 유연한 수소 결합은 다양한 결합 각도를 허용한다고 Kotov와 동료들은 설명합니다. 둘째, 이온화하는 나노리본의 능력은 pH와 이온 강도를 변경하여 넓은 범위에 걸쳐 조정할 수 있는 나노 규모 빌딩 블록 사이의 장거리 반발 상호 작용을 유도합니다. 그리고 나노리본이 꼬이기 때문에 전체 정전기 전위가 키랄이 되어 어셈블리의 사용성을 강화합니다.

"우리가 초기 작업에서 연구한 '단순한' 초입자와 비교하여 키랄 나노클러스터로 만든 초입자는 더 복잡한 구조를 형성할 수 있습니다."라고 Kotov는 말합니다. 물리 세계. “정전기 상호 작용을 제어하면 크기와 모양을 다양화할 수 있습니다. 이러한 복잡한 입자와 같은 합성 화학 시스템에 대해 이러한 키랄성 연속체를 설정하면 특성을 엔지니어링할 수 있습니다.”

트위스트 라이트는 실시간으로 나노 입자를 크기별로 분리합니다.

에 그들의 작업을 보고하는 연구원들은 자연, 그들은 현재 머신 비전에서 나비 넥타이 입자에 대한 응용 프로그램을 조사하느라 바쁘다고 말합니다. Kotov는 "원형 편광은 본질적으로 드물기 때문에 노이즈를 차단할 수 있기 때문에 그러한 시력에 매우 매력적입니다."라고 설명합니다. "엔지니어링된 나비 넥타이 구조는 LiDAR 및 편광 카메라용 마커로도 사용할 수 있습니다."

뒤틀린 나노입자는 또한 키랄 의약품을 생산하기 위한 올바른 조건을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 키랄성은 동일한 분자의 거울상 이성질체가 완전히 다른 화학적 및 생물학적 특성을 가질 수 있기 때문에 약물의 중요한 특성입니다. 따라서 이들을 구별하는 것은 새로운 의약품을 개발하는 사람들에게 특히 중요합니다.

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