Химики разработали новый метод создания хиральных структур

Некоторые молекулы существуют в двух формах, так что их структуры и их зеркальные изображения не накладываются друг на друга, как наши левая и правая руки. Это свойство, которое эти молекулы имеют из-за своей асимметрии, называется хиральностью. Хиральные молекулы имеют тенденцию быть оптически активными из-за того, как они взаимодействуют со светом. Зачастую в природе существует только одна форма хиральной молекулы, например ДНК. Интересно, что если хиральная молекула хорошо работает как лекарство, ее зеркальное отражение может оказаться неэффективным для терапии.

Пытаясь создать искусственную хиральность в лаборатории, группа химиков из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружила, что распределение магнитного поля само по себе является хиральным.

«Мы обнаружили, что линии магнитного поля, создаваемые любым магнитом, включая стержневой магнит, обладают хиральностью», — сказал Ядун Инь, профессор химии, возглавлявший команду. «Кроме того, мы также смогли использовать киральное распределение магнитного поля, чтобы убедить наночастицы сформировать хиральные структуры».

Традиционно исследователи использовали «шаблон» для создания хиральной молекулы. В качестве матрицы сначала используется хиральная молекула. Затем на этой матрице собираются ахиральные (или нехиральные) наночастицы, что позволяет им имитировать структуру хиральной молекулы. Недостатком этого метода является то, что он не может применяться универсально, поскольку сильно зависит от конкретного состава молекулы-шаблона. Еще одним недостатком является то, что вновь сформированную хиральную структуру невозможно легко разместить в определенном месте, скажем, на электронном устройстве.

«Но чтобы получить оптический эффект, вам нужно, чтобы хиральная молекула заняла определенное место в устройстве», — сказал Инь. «Наша технология преодолевает эти недостатки. Мы можем быстро формировать хиральные структуры путем магнитной сборки материалов любого химического состава в масштабах от молекул до нано- и микроструктур».

Инь объяснил, что в методе его команды используются постоянные магниты, которые постоянно вращаются в пространстве для создания киральности. Он сказал, что передача хиральности ахиральным молекулам осуществляется путем легирования, то есть включения гостевых видов, таких как металлы, полимеры, полупроводники и красители, в магнитные наночастицы, используемые для индукции хиральности.

Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Science.

Инь сказал, что хиральные материалы приобретают оптический эффект при взаимодействии с поляризованным светом. В поляризованном свете световые волны колеблются в одной плоскости, уменьшая общую интенсивность света. В результате поляризованные линзы в солнцезащитных очках уменьшают блики в наших глазах, а неполяризованные - нет.

«Если мы изменим магнитное поле, которое создает хиральную структуру материала, мы сможем изменить хиральность, которая затем создаст разные цвета, которые можно наблюдать через поляризованные линзы», — сказал Инь. «Это изменение цвета происходит мгновенно. С помощью нашего метода можно также заставить хиральность мгновенно исчезнуть, что позволяет быстро настроить киральность».

Результаты могут найти применение в технологиях борьбы с подделками. Хиральный узор, обозначающий подлинность объекта или документа, будет невидим невооруженным глазом, но виден, если смотреть через поляризованные линзы. Другие применения результатов находятся в области зондирования и оптоэлектроники.

«Более сложные оптоэлектронные устройства можно создавать, воспользовавшись возможностью настройки киральности, которую позволяет наш метод», — сказал Живэй Ли, первый автор статьи и бывший аспирант лаборатории Инь. «Что касается зондирования, наш метод можно использовать для быстрого обнаружения хиральных или ахиральных молекул, связанных с определенными заболеваниями, такими как рак и вирусные инфекции».

К исследованию Инь и Ли присоединилась группа аспирантов лаборатории Инь, в том числе Цинсун Фань, Цзуян Е, Чаолумэнь Ву и Чжунсян Ван. Сейчас Ли работает научным сотрудником в Северо-Западном университете в Иллинойсе.

Исследование финансировалось за счет гранта Инь от Национального научного фонда. Управление технологического партнерства UCR подал заявку на патент, связанную с этой работой.