Vridde sløyfer laget med kontinuerlig chiralitet

Forskere ved University of Michigan i USA har laget sløyfeformede nanostrukturerte mikropartikler hvis kiralitet, eller håndenhet, kan justeres kontinuerlig over et bredt spekter. De komplekse partiklene, som er konstruert av enkle komponenter som er følsomme for polarisert lys, danner en rekke krølleformer som kan kontrolleres nøyaktig. De fotonisk aktive nanoenhetene kan finne bruk i en rekke applikasjoner, inkludert lysdeteksjon og avstandsmåling (LiDAR), medisin og maskinsyn.

I matematiske termer er chiralitet en geometrisk egenskap, beskrevet av kontinuerlige matematiske funksjoner som kan avbildes som den gradvise vridningen av en søt omslag. En familie av stabile strukturer med lignende former og progressivt justerbar chiralitet bør derfor være teoretisk mulig. I kjemi blir chiralitet imidlertid ofte behandlet som en binær karakteristikk, med molekyler som kommer i to versjoner kalt enantiomerer, som er speilbilder av hverandre - omtrent som et par menneskehender. Denne kiraliteten er ofte "låst inne" og ethvert forsøk på å endre den resulterer i å bryte strukturen.

Kontinuerlig chiralitet

Et team av forskere ledet av Nicholas Kotov har nå vist at nanostrukturer med en anisotrop sløyfeform har kontinuerlig chiralitet, noe som betyr at de kan fremstilles med en vrivinkel, tonehøyde, tykkelse og lengde som kan justeres over et bredt område. Vridningen kan faktisk kontrolleres hele veien fra en fullstendig vridd venstrehendt struktur til en flat pannekake og deretter til en helt vridd høyrehendt struktur.

Sløyfene lages ved å blande kadmium og cystein, et proteinfragment som kommer i venstre- og høyrehendte varianter, og deretter suspendere denne blandingen i en vandig løsning. Denne reaksjonen produserer nanoark som selv monteres til bånd som deretter selv stables oppå hverandre, og danner de sløyfeformede nanopartikler. Nanobåndene er satt sammen av nanoplater 50–200 nm lange med en tykkelse på omtrent 1.2 nm

"Viktig er at størrelsen på partiklene er selvbegrenset av de elektrostatiske interaksjonene mellom nanoarkene og partiklene generelt," forklarer Kotov, "en mekanisme som vi oppdaget i en tidligere studie på suprapartikler og lagdelte nanokompositter."

Hvis cysteinet er venstrehendt, dannes det venstrehendte sløyfer, og hvis det er høyrehendte, dannes det høyrehendte. Hvis blandingen inneholder forskjellige forhold mellom venstre- og høyrehendt cystein, kan det imidlertid lages strukturer med mellomliggende vendinger. Stigningen til de strammeste sløyfene (det vil si de som har en 360° sving over hele lengden), er omtrent 4 µm.

Forskerne fant at nanostrukturene reflekterte sirkulært polarisert lys (som forplanter seg gjennom rommet i en korketrekkerform) bare når vridningen i lyset matchet vridningen i sløyfeformen.

5000 forskjellige former

Teamet lyktes i å produsere 5000 forskjellige former innenfor bowtie-spekteret og studerte dem i atomdetaljer ved hjelp av røntgendiffraksjon, elektrondiffraksjon og elektronmikroskopi ved Argonne National Laboratory. Skanneelektronmikroskopi (SEM) bilder viser at sløyfer er strukturert som en stabel med vridd nanobånd 200–1200 nm i lengde og 45 nm tykke.

Årsakene til kontinuum chiralitet kommer takket være de iboende egenskapene til byggesteinene i nanoskala. For det første tillater fleksible hydrogenbindinger variable bindingsvinkler, forklarer Kotov og kolleger. For det andre fører evnen til nanobånd til å ionisere til langdistanse frastøtende interaksjoner mellom nanoskala byggesteiner som kan justeres over et bredt område ved å endre pH og ionestyrke. Og siden nanobåndene vrir seg, blir det totale elektrostatiske potensialet kiralt, noe som forsterker sammenstillingenes håndenhet.

"Sammenlignet med de 'enkle' suprapartiklene vi studerte i vårt tidligere arbeid, kan de laget av kirale nanoklynger danne mer komplekse strukturer," forteller Kotov Fysikkens verden. «Ved å kontrollere deres elektrostatiske interaksjoner kan vi variere størrelse og form. Etablering av et slikt kiralitetskontinuum for syntetiske kjemiske systemer, slik som disse komplekse partiklene, tillater oss å konstruere egenskapene deres."

Twisted lys skiller nanopartikler etter størrelse i sanntid

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Natur, sier at de nå er opptatt med å se på bruksområder for sløyfepartiklene deres i maskinsyn. "Sirkulært polarisert lys er sjelden i naturen og er derfor veldig attraktivt for slikt syn siden det lar en kutte ut støy," forklarer Kotov. "De konstruerte bowtie-strukturene kan også brukes som markører for LiDAR og polarisasjonskameraer."

De vridde nanopartikler kan også bidra til å skape de rette forholdene for å produsere kirale medisiner. Kiralitet er en viktig egenskap ved legemidler, da enantiomerer av samme molekyl kan ha helt forskjellige kjemiske og biologiske egenskaper. Å skille mellom dem er derfor spesielt interessant for de som utvikler nye legemidler.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/