Sukani metuljčki, ustvarjeni z neprekinjeno kiralnostjo

Raziskovalci z Univerze v Michiganu v ZDA so ustvarili nanostrukturne mikrodelce v obliki metuljčka, katerih kiralnost ali ročnost je mogoče nenehno prilagajati v širokem razponu. Kompleksni delci, ki so zgrajeni iz preprostih komponent, občutljivih na polarizirano svetlobo, tvorijo različne oblike kodrov, ki jih je mogoče natančno nadzorovati. Fotonsko aktivni nanosestavi bi lahko našli uporabo v množici aplikacij, vključno z napravami za zaznavanje in določanje razdalje (LiDAR), medicino in strojnim vidom.

V matematičnem smislu je kiralnost geometrijska lastnost, ki jo opisujejo zvezne matematične funkcije, ki si jih lahko predstavljamo kot postopno zvijanje sladkega ovoja. Družina stabilnih struktur s podobnimi oblikami in postopno nastavljivo kiralnostjo bi morala biti torej teoretično možna. V kemiji pa se kiralnost pogosto obravnava kot binarna značilnost, z molekulami, ki prihajajo v dveh različicah, imenovanih enantiomeri, ki so zrcalne slike druga druge - podobno kot par človeških rok. Ta kiralnost je pogosto "zaklenjena" in vsak poskus njene spremembe povzroči zlom strukture.

Kontinuirana kiralnost

Skupina raziskovalcev pod vodstvom Nikolaj Kotov je zdaj pokazal, da imajo nanostrukture z anizotropno obliko metuljčka neprekinjeno kiralnost, kar pomeni, da jih je mogoče izdelati s kotom zasuka, širino naklona, ​​debelino in dolžino, ki jih je mogoče prilagoditi v širokem razponu. Dejansko je zasuk mogoče nadzorovati vse od popolnoma zavite levosučne strukture do ravne palačinke in nato do popolnoma zavite desnosučne strukture.

Metuljčki so narejeni z mešanjem kadmija in cisteina, beljakovinskega fragmenta, ki je na voljo v levičarskih in desničarskih različicah, nato pa to mešanico suspendiramo v vodni raztopini. Ta reakcija proizvaja nanoplošče, ki se same sestavijo v trakove, ki se nato sami zložijo drug na drugega in tvorijo nanodelce v obliki metuljčka. Nanotrakovi so sestavljeni iz nanoplošč dolžine 50–200 nm in debeline približno 1.2 nm.

"Pomembno je, da je velikost delcev samoomejena z elektrostatičnimi interakcijami med nanoplasti in delci na splošno," pojasnjuje Kotov, "mehanizem, ki smo ga odkrili v prejšnji študiji o supradelcih in večplastnih nanokompozitih."

Če je cistein ves levičarski, nastanejo levičarski metuljčki, če je desničarski, pa desničarski. Če pa mešanica vsebuje različna razmerja levo- in desnosučnega cisteina, lahko nastanejo strukture z vmesnimi zasuki. Korak najbolj zategnjenih metuljčkov (torej tistih z zasukom 360° po celotni dolžini) je približno 4 µm.

Raziskovalci so ugotovili, da nanostrukture odsevajo krožno polarizirano svetlobo (ki se skozi vesolje širi v obliki zamaška) le, če se zasuk v svetlobi ujema z zasukom v obliki metuljčka.

5000 različnih oblik

Ekipi je uspelo izdelati 5000 različnih oblik v spektru metuljčkov in jih preučiti v atomskih podrobnostih z rentgensko difrakcijo, elektronsko difrakcijo in elektronsko mikroskopijo v nacionalnem laboratoriju Argonne. Slike z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM) kažejo, da so metuljčki strukturirani kot kup zvitih nanotrakov, dolgih 200–1200 nm in debelih 45 nm.

Razlogi za neprekinjeno kiralnost izvirajo iz intrinzičnih lastnosti gradnikov nanometrskega merila. Prvič, prožne vodikove vezi omogočajo spremenljive kote vezi, pojasnjujejo Kotov in sodelavci. Drugič, sposobnost nanotrakov za ionizacijo vodi do odbojnih interakcij na dolge razdalje med gradniki nanometrskega merila, ki jih je mogoče prilagoditi v širokem razponu s spreminjanjem pH in ionske moči. In ker se nanotrakovi zvijajo, celotni elektrostatični potencial postane kiralen, kar okrepi ročnost sestavov.

"V primerjavi z 'preprostimi' supradelci, ki smo jih proučevali v prejšnjem delu, lahko tisti, narejeni iz kiralnih nanoklasterjev, tvorijo bolj zapletene strukture," pravi Kotov Svet fizike. »Nadziranje njihovih elektrostatičnih interakcij nam omogoča spreminjanje njihove velikosti in oblike. Vzpostavitev takšnega kiralnega kontinuuma za sintetične kemične sisteme, kot so ti kompleksni delci, nam omogoča inženiring njihovih lastnosti.

Zasukana svetloba ločuje nanodelce po velikosti v realnem času

Raziskovalci, ki poročajo o svojem delu v Narava, pravijo, da so zdaj zaposleni z iskanjem aplikacij za svoje delce metuljčka v strojnem vidu. "Krožno polarizirana svetloba je v naravi redka in zato zelo privlačna za takšno vizijo, saj omogoča izločanje šuma," pojasnjuje Kotov. "Izdelane metuljčke strukture bi lahko uporabili tudi kot oznake za LiDAR in polarizacijske kamere."

Zviti nanodelci lahko tudi pomagajo ustvariti prave pogoje za proizvodnjo kiralnih zdravil. Kiralnost je pomembna lastnost zdravil, saj imajo lahko enantiomeri iste molekule povsem različne kemijske in biološke lastnosti. Razlikovanje med njimi je torej še posebej zanimivo za tiste, ki razvijajo nova zdravila.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/