Vridna flugor skapade med kontinuerlig chiralitet

Forskare vid University of Michigan i USA har skapat fluga-formade nanostrukturerade mikropartiklar vars kiralitet, eller handedness, kan ställas in kontinuerligt över ett brett spektrum. De komplexa partiklarna, som är konstruerade av enkla komponenter som är känsliga för polariserat ljus, bildar en mängd olika krullningsformer som kan kontrolleras exakt. De fotoniskt aktiva nanoaggregaten kan komma att användas i en mängd applikationer, inklusive ljusdetektion och avståndsmätare (LiDAR), medicin och maskinseende.

I matematiska termer är kiralitet en geometrisk egenskap, beskriven av kontinuerliga matematiska funktioner som kan avbildas som den gradvisa vridningen av ett sött omslag. En familj av stabila strukturer med liknande former och progressivt inställbar kiralitet borde därför vara teoretiskt möjlig. Inom kemin behandlas emellertid kiralitet ofta som en binär egenskap, med molekyler som kommer i två versioner som kallas enantiomerer, som är spegelbilder av varandra - ungefär som ett par mänskliga händer. Denna chiralitet är ofta "låst" och varje försök att modifiera den resulterar i att strukturen bryts.

Kontinuerlig kiralitet

Ett team av forskare under ledning av Nicholas Kotov har nu visat att nanostrukturer med en anisotrop flugaform har kontinuerlig chiralitet, vilket innebär att de kan tillverkas med en vridningsvinkel, stigningsbredd, tjocklek och längd som kan ställas in över ett brett område. Vridningen kan faktiskt kontrolleras hela vägen från en helt vriden vänsterhänt struktur till en platt pannkaka och sedan till en helt vriden högerhänt struktur.

Bowties görs genom att blanda kadmium och cystein, ett proteinfragment som finns i vänster- och högerhänta varianter, och sedan suspendera denna blandning i en vattenlösning. Denna reaktion producerar nanosheets som självmonteras till band som sedan själv staplas ovanpå varandra och bildar de flugaformade nanopartiklarna. Nanobanden är sammansatta av nanoblodplättar 50–200 nm långa med en tjocklek på ungefär 1.2 nm

"Viktigt är att storleken på partiklarna är självbegränsad av de elektrostatiska interaktionerna mellan nanoskivorna och partiklarna överlag", förklarar Kotov, "en mekanism som vi upptäckte i en tidigare studie på suprapartiklar och skiktade nanokompositer."

Om cysteinet är vänsterhänt bildas vänsterhänta bowties och om det är högerhänta bildas högerhänta. Om blandningen innehåller olika förhållanden av vänster- och högerhänt cystein kan dock strukturer med mellanliggande vridningar skapas. Stigningen på de tightaste flugorna (det vill säga de med en 360°-sväng över hela sin längd) är cirka 4 µm.

Forskarna fann att nanostrukturerna reflekterade cirkulärt polariserat ljus (som utbreder sig genom rymden i en korkskruvsform) endast när vridningen i ljuset matchade vridningen i bowtie-formen.

5000 olika former

Teamet lyckades producera 5000 200 olika former inom bowtie-spektrumet och studerade dem i atomär detalj med hjälp av röntgendiffraktion, elektrondiffraktion och elektronmikroskopi vid Argonne National Laboratory. Bilder med svepelektronmikroskopi (SEM) visar att flugor är strukturerade som en bunt vridna nanorband 1200–45 nm långa och XNUMX nm tjocka.

Skälen till kontinuumkiralitet kommer tack vare de inneboende egenskaperna hos byggstenarna i nanoskala. För det första tillåter flexibla vätebindningar variabla bindningsvinklar, förklarar Kotov och kollegor. För det andra leder nanobandens förmåga att jonisera till långväga frånstötande interaktioner mellan nanoskala byggstenar som kan ställas in över ett brett spektrum genom att ändra pH och jonstyrka. Och eftersom nanobanden vrider sig blir den totala elektrostatiska potentialen kiral, vilket förstärker sammansättningarnas handenhet.

"Jämfört med de 'enkla' suprapartiklarna som vi studerade i vårt tidigare arbete, kan de gjorda av kirala nanokluster bilda mer komplexa strukturer," säger Kotov Fysikvärlden. "Att kontrollera deras elektrostatiska interaktioner gör det möjligt för oss att variera deras storlek och form. Att etablera ett sådant kiralitetskontinuum för syntetiska kemiska system, som dessa komplexa partiklar, gör att vi kan konstruera deras egenskaper."

Vridet ljus separerar nanopartiklar efter storlek i realtid

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Natur, säger att de nu är upptagna med att undersöka tillämpningar för deras bowtie-partiklar i maskinseende. "Cirkulärt polariserat ljus är sällsynt i naturen och därför mycket attraktivt för en sådan syn eftersom det låter en skära ut brus", förklarar Kotov. "De konstruerade bowtie-strukturerna kan också användas i egenskap av markörer för LiDAR och polarisationskameror."

De vridna nanopartiklarna kan också bidra till att skapa rätt förutsättningar för att producera kirala läkemedel. Kiralitet är en viktig egenskap hos läkemedel, eftersom enantiomerer av samma molekyl kan ha helt olika kemiska och biologiska egenskaper. Att skilja mellan dem är därför särskilt intressant för dem som utvecklar nya läkemedel.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/