Spirallys, nanopartikler og indsigt i livets struktur

(Phys.org) - Når hænderne kommer i venstre og højre version, der er spejlbilleder af hinanden, det gør aminosyrer og sukkerarter i os. Men i modsætning til hænder, kun de venstreorienterede aminosyrer og de højreorienterede sukkerarter lever nogensinde ind i livet, som vi kender det.

Forskere ved, at de andre sorter eksisterer, fordi når de syntetiserer disse aminosyrer og sukkerarter i et laboratorium, nogenlunde lige antal venstre- og højrevendte arrangementer dannes. Men livet foretrækker én. Det er et mystisk fænomen kaldet "homokiralitet".

Forskere har flere teorier om, hvorfor det opstår. I fund, der understreger den rolle, som lys kan have spillet i dets oprindelse på Jorden, et team ledet af en forsker ved University of Michigan har vist, at en lysstråles rotationsretning kan lokke uorganiske nanopartikler til at samle sig til, hvad der svarer til venstre- eller højrehåndede snoede bånd. Venstrehåndede bånd vrides mod uret, og højrehåndet med uret.

Forskere havde tidligere teoretiseret, at en bestemt form for spiralformet stjernelys kunne have låst sig fast i kiraliteten, eller håndethed, af relativt stor økologisk, kulstofbaserede molekyler såsom aminosyrer og sukkerarter i levende organismer. Stjernelyset ville have skinnet på skyen af ​​støv og gas, der til sidst blev Jorden.

Det har ikke været kendt før nu, selvom, at lys kunne have en lignende og meget udtalt effekt på tyndere, uorganiske nanopartikler, der ikke er kulstofbaserede.

"Det, vi har vist, er, at nanopartikler af uorganiske materialer, ligesom de organiske materialer som tidlige aminosyrer, kan ikke kun selvmonteres, men kan gøre det på en måde, der udviser kiralitet, "sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i teknik og professor i kemiteknik, materialevidenskab og teknik og molekylær videnskab og teknik ved U-M. Kotov er hovedforfatter til et papir om resultaterne offentliggjort i den aktuelle udgave af Naturmaterialer .

Kotov og hans kolleger skinnede cirkulært polariseret lys på partikler af cadmiumtellurid i en opløsning. Lys har både elektriske og magnetiske komponenter, og dets polarisering refererer til orienteringen af ​​hver komponents bølger. I cirkulært polariseret lys, det elektriske felt roterer omkring den magnetiske komponent. Cirkulært polariseret lys menes at være sjældent i den naturlige verden, selvom det måske ikke var på et tidligere tidspunkt i universet.

I forsøgene, forskerne udsatte en gruppe nanopartikler for venstrehåndet cirkulært polariseret lys, som roterede mod uret. De udsatte den anden for højrehåndede polariserede, eller drejer med uret, lys. I hver gruppe, cirka 30 procent flere af nanoribberne bød kiraliteten af ​​det lys, de blev udsat for. Denne procentdel er ti gange højere end forskere har fundet ud af, at cirkulært polariseret lys påvirker større grupper af molekyler, Sagde Kotov.

Nanopartiklerne i begge grupper startede med blandet chiralitet. Nogle partikler er venstrehåndede og andre højrehåndede. Forskerne teoretiserer, at dem med en kiralitet, der matcher lyset, der skinner på dem, reagerer med det lys på måder, der får dem til at vokse, eller tiltrække flere molekyler. Når lysrotationen matcher partiklernes håndethed, kemiske reaktioner kan forekomme, herunder oxidation, eller tab af elektroner. Dette elektrontab sætter ladede nanopartikler i blandingen, og de kan reagere med andre nanopartikler på måder, der favoriserer mere af det samme.

"Kiraliteten ophobes, "Sagde Kotov.

Mens Kotov siger, at de første levende organismer sandsynligvis var mikroskala, han er hurtig til at påpege, at værket ikke siger, at nanopartikelbånd af nogen art er forstadier til livet.

"Vi ved endnu ikke, hvordan de organiske molekyler og uorganiske nanopartikler interagerede, "Sagde Kotov, "eller hvordan kiralitet udviklede sig til at blive til venstre for aminosyrer og til højre for sukker. Men vi synes, at svarene ikke kun bør omfatte organisk stof, men denne ekstra spiller af uorganiske nanopartikler, hvilket faktisk er ganske betydningsfuldt. "

Ud over enhver indsigt i livets struktur, forskningen kan også vise en ny og billigere måde at konstruere molekyler, der vender mod venstre eller højre. Nuværende metoder til at fremkalde kiralitet, som denne proces kaldes, er svære og dyre, alligevel har de applikationer til at lave ting som lægemidler, bærbare eller implanterede sensorer, telekommunikation og displayteknologi. Kirale nanostrukturer kan hjælpe med at fordoble informationsbåndbredden for disse enheder ved hjælp af venstre og højre polariseret lys.

Papiret har titlen "Chiral templating af selvsamlende nanostrukturer ved cirkulært polariseret lys." Forskningen understøttes delvis af Center for Solar and Thermal Energy Conversion, et Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske energiministerium; National Science Foundation, National Institutes of Health, blandt andre kilder.