Những chiếc nơ xoắn được tạo ra với chirality liên tục

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan ở Hoa Kỳ đã tạo ra các vi hạt có cấu trúc nanô hình chiếc nơ mà tính chirality, hoặc tính thuận tay, có thể được điều chỉnh liên tục trong một phạm vi rộng. Các hạt phức tạp, được cấu tạo từ các thành phần đơn giản nhạy cảm với ánh sáng phân cực, tạo thành nhiều hình dạng uốn lượn có thể được kiểm soát chính xác. Các tổ hợp nano hoạt động quang tử có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm các thiết bị phát hiện ánh sáng và phạm vi (LiDAR), y học và thị giác máy.

Về mặt toán học, chirality là một thuộc tính hình học, được mô tả bằng các hàm toán học liên tục có thể được hình dung như sự xoắn dần dần của một lớp vỏ ngọt ngào. Do đó, một họ các cấu trúc ổn định có hình dạng tương tự và tính đối xứng có thể điều chỉnh dần dần về mặt lý thuyết là có thể. Tuy nhiên, trong hóa học, chirality thường được coi là một đặc tính nhị phân, với các phân tử có hai phiên bản được gọi là đồng phân đối ảnh, là hình ảnh phản chiếu của nhau – giống như một đôi bàn tay con người. Chirality này thường bị "khóa" và bất kỳ nỗ lực nào để sửa đổi nó đều dẫn đến phá vỡ cấu trúc.

Chirality liên tục

Một nhóm các nhà nghiên cứu do Nicholas Kotov giờ đây đã chỉ ra rằng các cấu trúc nano có hình dạng nơ bất đẳng hướng có tính đối xứng liên tục, nghĩa là chúng có thể được chế tạo với góc xoắn, độ rộng bước, độ dày và chiều dài có thể được điều chỉnh trong một phạm vi rộng. Thật vậy, độ xoắn có thể được kiểm soát theo mọi cách từ cấu trúc xoắn hoàn toàn bằng tay trái đến bánh kếp phẳng và sau đó đến cấu trúc xoắn hoàn toàn bằng tay phải.

Những chiếc nơ được tạo ra bằng cách trộn cadmium và cysteine, một đoạn protein có nhiều loại thuận tay trái và tay phải, sau đó hòa tan hỗn hợp này trong dung dịch nước. Phản ứng này tạo ra các tấm nano tự lắp ráp thành các dải băng, sau đó tự xếp chồng lên nhau, tạo thành các hạt nano hình nơ. Các dải nano được lắp ráp từ các tiểu cầu nano có chiều dài 50–200 nm với độ dày khoảng 1.2 nm

Kotov giải thích: “Điều quan trọng là kích thước của các hạt tự giới hạn bởi các tương tác tĩnh điện giữa các tấm nano và các hạt nói chung.

Nếu cysteine ​​​​đều là người thuận tay trái, thì hình thức của người thuận tay trái và nếu nó là người thuận tay phải, thì người thuận tay phải sẽ hình thành. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp chứa các tỷ lệ khác nhau của cysteine ​​thuận tay trái và tay phải, thì các cấu trúc có các vòng xoắn trung gian có thể được tạo ra. Cao độ của những chiếc nơ chặt nhất (nghĩa là những chiếc nơ có thể xoay 360° trên toàn bộ chiều dài của chúng) là khoảng 4 µm.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các cấu trúc nano phản xạ ánh sáng phân cực tròn (lan truyền trong không gian theo hình xoắn ốc) chỉ khi độ xoắn trong ánh sáng khớp với độ xoắn trong hình dạng chiếc nơ.

5000 hình dạng khác nhau

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra 5000 hình dạng khác nhau trong phổ bowtie và nghiên cứu chúng một cách chi tiết về nguyên tử bằng cách sử dụng nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử và kính hiển vi điện tử tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy nơ có cấu trúc như một chồng các dải nano xoắn có chiều dài 200–1200 nm và dày 45 nm.

Lý do cho tính chirality liên tục xuất phát từ các đặc tính nội tại của các khối xây dựng có kích thước nano. Đầu tiên, các liên kết hydro linh hoạt cho phép các góc liên kết thay đổi, Kotov và các đồng nghiệp giải thích. Thứ hai, khả năng ion hóa của các dải nano dẫn đến các tương tác lực đẩy tầm xa giữa các khối xây dựng kích thước nano có thể được điều chỉnh trên một phạm vi rộng bằng cách thay đổi độ pH và cường độ ion. Và do các dải nano xoắn lại, tổng thế tĩnh điện trở thành bất đối xứng, điều này củng cố tính thuận tay của các tổ hợp.

Kotov cho biết: “So với các siêu hạt 'đơn giản' mà chúng tôi đã nghiên cứu trong công trình trước đây của mình, những siêu hạt được tạo ra từ các cụm nano bất đối có thể tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn. Thế giới vật lý. “Việc kiểm soát các tương tác tĩnh điện của chúng cho phép chúng tôi thay đổi kích thước và hình dạng của chúng. Việc thiết lập một liên tục chirality như vậy cho các hệ thống hóa học tổng hợp, chẳng hạn như các hạt phức tạp này, cho phép chúng tôi thiết kế các đặc tính của chúng.”

Ánh sáng xoắn phân tách các hạt nano theo kích thước trong thời gian thực

Các nhà nghiên cứu, những người báo cáo công việc của họ trong Thiên nhiên, nói rằng họ hiện đang bận xem xét các ứng dụng cho các hạt nơ của họ trong thị giác máy. Kotov giải thích: “Ánh sáng phân cực tròn rất hiếm trong tự nhiên và do đó rất hấp dẫn đối với tầm nhìn như vậy vì nó cho phép người ta loại bỏ tiếng ồn. “Các cấu trúc nơ được thiết kế cũng có thể được sử dụng với khả năng làm điểm đánh dấu cho LiDAR và camera phân cực.”

Các hạt nano xoắn cũng có thể giúp tạo ra các điều kiện thích hợp để sản xuất thuốc điều trị vi-rút. Chirality là một tính chất quan trọng của thuốc, vì các đồng phân đối quang của cùng một phân tử có thể có các đặc tính hóa học và sinh học hoàn toàn khác nhau. Do đó, việc phân biệt giữa chúng được đặc biệt quan tâm đối với những người đang phát triển dược phẩm mới.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/