Skręcone muszki stworzone z ciągłą chiralnością

Naukowcy z University of Michigan w USA stworzyli nanostrukturalne mikrocząsteczki w kształcie muszki, których chiralność lub kierunkowość można regulować w sposób ciągły w szerokim zakresie. Złożone cząsteczki, które są zbudowane z prostych elementów wrażliwych na światło spolaryzowane, tworzą różnorodne zawijające się kształty, które można precyzyjnie kontrolować. Fotonicznie aktywne nanozespoły mogą znaleźć zastosowanie w wielu zastosowaniach, w tym w urządzeniach do wykrywania i określania odległości (LiDAR), medycynie i widzeniu maszynowym.

W kategoriach matematycznych chiralność jest właściwością geometryczną opisaną przez ciągłe funkcje matematyczne, które można zobrazować jako stopniowe skręcanie opakowania cukierka. Rodzina stabilnych struktur o podobnych kształtach i stopniowo regulowanej chiralności powinna zatem być teoretycznie możliwa. Jednak w chemii chiralność jest często traktowana jako cecha binarna, z cząsteczkami występującymi w dwóch wersjach zwanych enancjomerami, które są swoimi lustrzanymi odbiciami – podobnie jak para ludzkich dłoni. Ta chiralność jest często „zamknięta” i każda próba jej modyfikacji kończy się rozbiciem struktury.

Ciągła chiralność

Zespół badaczy kierowany przez Mikołaj Kotow wykazało teraz, że nanostruktury o anizotropowym kształcie muszki mają ciągłą chiralność, co oznacza, że ​​można je wytwarzać z kątem skrętu, szerokością skoku, grubością i długością, które można dostroić w szerokim zakresie. Rzeczywiście, skręt można kontrolować od całkowicie skręconej struktury leworęcznej do płaskiego naleśnika, a następnie do całkowicie skręconej struktury praworęcznej.

Muszki powstają poprzez zmieszanie kadmu i cysteiny, fragmentu białka, który występuje w odmianach lewoskrętnych i prawoskrętnych, a następnie zawieszenie tej mieszanki w roztworze wodnym. Ta reakcja wytwarza nanocząsteczki, które samoorganizują się we wstążki, które następnie układają się jedna na drugiej, tworząc nanocząsteczki w kształcie muszki. Nanowstążki są składane z nanopłytek o długości 50–200 nm i grubości około 1.2 nm

„Co ważne, rozmiar cząstek jest samoograniczany przez oddziaływania elektrostatyczne między nanocząstkami a cząstkami ogólnie”, wyjaśnia Kotov, „mechanizm, który odkryliśmy w poprzednim badaniu nad nadcząstkami i warstwowymi nanokompozytami”.

Jeśli cysteina jest w całości lewoskrętna, tworzą się muszki lewoskrętne, a jeśli jest prawoskrętna, tworzą się muszki prawoskrętne. Jeśli jednak mieszanka zawiera różne proporcje lewoskrętnej i prawoskrętnej cysteiny, można utworzyć struktury o pośrednich skrętach. Skok najciaśniejszych muszek (czyli takich, które obracają się o 360° na całej długości) wynosi około 4 µm.

Naukowcy odkryli, że nanostruktury odbijały światło spolaryzowane kołowo (które rozchodzi się w przestrzeni w kształcie korkociągu) tylko wtedy, gdy skręcenie w świetle odpowiadało skręcie w kształcie muszki.

5000 różnych kształtów

Zespołowi udało się wytworzyć 5000 różnych kształtów w widmie muszki i zbadać je szczegółowo przy użyciu dyfrakcji rentgenowskiej, dyfrakcji elektronowej i mikroskopii elektronowej w Argonne National Laboratory. Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) pokazują, że muszki mają strukturę stosu skręconych nanowstążek o długości 200–1200 nm i grubości 45 nm.

Przyczyny chiralności kontinuum wynikają z wewnętrznych właściwości nanoskalowych bloków budulcowych. Po pierwsze, elastyczne wiązania wodorowe pozwalają na zmienne kąty wiązań, wyjaśniają Kotov i współpracownicy. Po drugie, zdolność nanowstążek do jonizacji prowadzi do dalekosiężnych odpychających interakcji między blokami budulcowymi w nanoskali, które można dostroić w szerokim zakresie, zmieniając pH i siłę jonową. A ponieważ nanowstążki skręcają się, całkowity potencjał elektrostatyczny staje się chiralny, co wzmacnia ręczność zespołów.

„W porównaniu z„ prostymi ”nadcząstkami, które badaliśmy w naszej wcześniejszej pracy, te wykonane z chiralnych nanoklastrów mogą tworzyć bardziej złożone struktury”, mówi Kotov Świat Fizyki. „Kontrolowanie ich oddziaływań elektrostatycznych umożliwia nam różnicowanie ich wielkości i kształtu. Ustanowienie takiego kontinuum chiralności dla syntetycznych układów chemicznych, takich jak te złożone cząstki, pozwala nam zaprojektować ich właściwości.

Skręcone światło rozdziela nanocząsteczki według rozmiaru w czasie rzeczywistym

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Natura, mówią, że są teraz zajęci szukaniem zastosowań dla swoich cząsteczek muszki w widzeniu maszynowym. „Światło spolaryzowane kołowo jest rzadkie w przyrodzie, a zatem bardzo atrakcyjne dla takiego widzenia, ponieważ pozwala wyciąć szum”, wyjaśnia Kotov. „Zaprojektowane konstrukcje muszek mogą być również wykorzystywane jako znaczniki dla kamer LiDAR i polaryzacyjnych”.

Skręcone nanocząstki mogą też pomóc w stworzeniu odpowiednich warunków do produkcji leków chiralnych. Chiralność jest ważną właściwością leków, ponieważ enancjomery tej samej cząsteczki mogą mieć zupełnie inne właściwości chemiczne i biologiczne. Rozróżnienie między nimi jest zatem szczególnie interesujące dla osób opracowujących nowe farmaceutyki.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/