Papioane răsucite create cu chiralitate continuă

Cercetătorii de la Universitatea din Michigan din SUA au creat microparticule nanostructurate în formă de papion a căror chiralitate sau handedness poate fi reglată continuu pe o gamă largă. Particulele complexe, care sunt construite din componente simple care sunt sensibile la lumina polarizată, formează o varietate de forme de ondulare care pot fi controlate cu precizie. Nanoansamblurile active fotonic s-ar putea folosi într-o serie de aplicații, inclusiv dispozitive de detectare a luminii și de măsurare a distanței (LiDAR), medicamente și viziune artificială.

În termeni matematici, chiralitatea este o proprietate geometrică, descrisă de funcții matematice continue care pot fi reprezentate ca răsucirea treptată a unui înveliș dulce. Prin urmare, teoretic ar trebui să fie posibilă o familie de structuri stabile cu forme similare și chiralitate reglabilă progresiv. În chimie, totuși, chiralitatea este adesea tratată ca o caracteristică binară, moleculele vin în două versiuni numite enantiomeri, care sunt imagini în oglindă unul cu celălalt - la fel ca o pereche de mâini umane. Această chiralitate este adesea „blocată” și orice încercare de a o modifica are ca rezultat ruperea structurii.

Chiralitate continuă

O echipă de cercetători condusă de Nicolae Kotov a arătat acum că nanostructurile cu o formă de papion anizotropă au chiralitate continuă, ceea ce înseamnă că pot fi fabricate cu un unghi de răsucire, lățime de pas, grosime și lungime care pot fi reglate pe o gamă largă. Într-adevăr, răsucirea poate fi controlată până la o structură complet răsucită pentru stânga la o clătită plată și apoi la o structură complet răsucită pentru dreapta.

Papioanele sunt făcute prin amestecarea cadmiului și cisteinei, un fragment de proteină care vine în soiuri pentru stângaci și dreptaci, apoi suspendând acest amestec într-o soluție apoasă. Această reacție produce nanofoi care se autoasamblează în panglici care apoi se autostivuesc una peste alta, formând nanoparticulele în formă de papion. Nanoribbonurile sunt asamblate din nanoplachete cu lungimea de 50-200 nm cu o grosime de aproximativ 1.2 nm

„Important, dimensiunea particulelor este auto-restrânsă de interacțiunile electrostatice dintre nanofoi și particule în general”, explică Kotov, „un mecanism pe care l-am descoperit într-un studiu anterior asupra supraparticulelor și nanocompozitelor stratificate”.

Dacă cisteina este toată stângaci, se formează papioni pentru stângaci, iar dacă este dreptaci, se formează dreptaci. Dacă amestecul conține diferite proporții de cisteină pentru stânga și dreapta, totuși, pot fi create structuri cu răsuciri intermediare. Pasul celor mai strânse papion (adică cele cu o rotire de 360° pe toată lungimea lor) este de aproximativ 4 µm.

Cercetătorii au descoperit că nanostructurile reflectă lumina polarizată circular (care se propagă prin spațiu în formă de tirbușon) numai atunci când răsucirea luminii se potrivea cu răsucirea formei papionului.

5000 forme diferite

Echipa a reușit să producă 5000 de forme diferite în spectrul papionului și le-a studiat în detaliu atomic folosind difracția de raze X, difracția electronică și microscopia electronică la Laboratorul Național Argonne. Imaginile microscopiei electronice cu scanare (SEM) arată că papioanele sunt structurate ca un teanc de nanoribonuri răsucite de 200-1200 nm lungime și 45 nm grosime.

Motivele chiralității continue vin datorită proprietăților intrinseci ale blocurilor de construcție la scară nanometrică. În primul rând, legăturile flexibile de hidrogen permit unghiuri variabile de legătură, explică Kotov și colegii. În al doilea rând, capacitatea nanoribonilor de a ioniza duce la interacțiuni respingătoare pe distanță lungă între blocurile de construcție la scară nanometrică care pot fi reglate pe o gamă largă prin modificarea pH-ului și a puterii ionice. Și din moment ce nanoribonurile se răsucesc, potențialul electrostatic total devine chiral, ceea ce întărește caracterul manual al ansamblurilor.

„În comparație cu supraparticulele „simple” pe care le-am studiat în munca noastră anterioară, cele realizate din nanoclustere chirale pot forma structuri mai complexe”, spune Kotov. Lumea fizicii. „Controlarea interacțiunilor lor electrostatice ne permite să le variam dimensiunea și forma. Stabilirea unui astfel de continuum de chiralitate pentru sistemele chimice sintetice, cum ar fi aceste particule complexe, ne permite să le construim proprietățile.”

Lumina răsucită separă nanoparticulele după dimensiune în timp real

Cercetătorii, care își raportează munca în Natură, spun că sunt acum ocupați să caute aplicații pentru particulele lor de papion în viziunea artificială. „Lumina polarizată circular este rară în natură și, prin urmare, foarte atractivă pentru o astfel de viziune, deoarece permite eliminarea zgomotului”, explică Kotov. „Structurile proiectate cu papion ar putea fi folosite și ca markeri pentru camerele LiDAR și de polarizare.”

Nanoparticulele răsucite pot ajuta, de asemenea, la crearea condițiilor potrivite pentru producerea medicamentelor chirale. Chiralitatea este o proprietate importantă a medicamentelor, deoarece enantiomerii aceleiași molecule pot avea proprietăți chimice și biologice complet diferite. Distingerea dintre ele este, prin urmare, de interes deosebit pentru cei care dezvoltă noi produse farmaceutice.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/