具有连续手性的扭曲蝴蝶结

美国密歇根大学的研究人员创造了领结形纳米结构微粒，其手性或旋手性可以在很宽的范围内连续调节。 复杂的粒子由对偏振光敏感的简单成分构成，形成各种可以精确控制的卷曲形状。 光子活性纳米组件可能会在许多应用中找到用途，包括光探测和测距 (LiDAR) 设备、医学和机器视觉。

在数学术语中，手性是一种几何特性，由连续的数学函数描述，可以被描绘成甜包装纸的逐渐扭曲。 因此，理论上应该有可能出现一系列具有相似形状和渐进可调手性的稳定结构。 然而，在化学中，手性通常被视为一种二元特征，分子有两种形式，称为对映异构体，它们互为镜像——很像人的双手。 这种手性通常被“锁定”，任何对其进行修改的尝试都会破坏结构。

连续手性

由领导的一组研究人员 尼古拉斯·科托夫 现在已经表明，具有各向异性领结形状的纳米结构具有连续的手性，这意味着它们可以制造成可以在很宽的范围内调整的扭转角、间距宽度、厚度和长度。 事实上，从完全扭曲的左手结构到扁平煎饼再到完全扭曲的右手结构，扭曲都可以得到控制。

蝴蝶结是通过混合镉和半胱氨酸制成的，半胱氨酸是一种有左手和右手两种形式的蛋白质片段，然后将这种混合物悬浮在水溶液中。 这种反应产生的纳米片自组装成带状物，然后自堆叠在彼此之上，形成领结形纳米颗粒。 纳米带由长度为 50-200 nm、厚度约为 1.2 nm 的纳米片组装而成

“重要的是，纳米片和整个粒子之间的静电相互作用会自我限制粒子的大小，”Kotov 解释说，“这是我们在之前对超粒子和层状纳米复合材料的研究中发现的一种机制。”

如果半胱氨酸都是左旋的，则形成左旋的领结，如果是右旋的，则形成右旋的。 然而，如果混合物包含不同比例的左手和右手半胱氨酸，则可以创建具有中间扭曲的结构。 最紧的蝴蝶结（即在整个长度上旋转 360° 的蝴蝶结）的螺距约为 4 µm。

研究人员发现，只有当光的扭曲与领结形状的扭曲相匹配时，纳米结构才会反射圆偏振光（以开瓶器形状在空间中传播）。

5000种不同的形状

该团队成功地在领结光谱内产生了 5000 种不同的形状，并在阿贡国家实验室使用 X 射线衍射、电子衍射和电子显微镜对它们进行了原子细节研究。 扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示，蝴蝶结结构为一堆扭曲的纳米带，长度为 200–1200 nm，厚度为 45 nm。

连续手性的原因归功于纳米级构建块的固有特性。 首先，柔性氢键允许可变键角，Kotov 及其同事解释道。 其次，纳米带的电离能力导致纳米级构件之间的远程排斥相互作用，可以通过改变 pH 值和离子强度在很宽的范围内进行调节。 由于纳米带扭曲，总静电势变成手性的，这加强了组件的旋向性。

“与我们在早期工作中研究的‘简单’超粒子相比，由手性纳米团簇制成的超粒子可以形成更复杂的结构，”科托夫说 物理世界. “控制它们的静电相互作用使我们能够改变它们的大小和形状。 为合成化学系统（例如这些复杂的粒子）建立这样的手性连续体，使我们能够设计它们的特性。”

扭曲的光实时按尺寸分离纳米颗粒

研究人员，他们在 自然，说他们现在正忙于研究他们的领结粒子在机器视觉中的应用。 “圆偏振光在自然界中很少见，因此对于这种视觉非常有吸引力，因为它可以消除噪音，”Kotov 解释道。 “经过工程设计的领结结构还可以用作 LiDAR 和偏振相机的标记。”

扭曲的纳米粒子也可能有助于为生产手性药物创造合适的条件。 手性是药物的一个重要特性，因为同一分子的对映异构体可能具有完全不同的化学和生物学特性。 因此，开发新药物的人员特别感兴趣区分它们。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/