Nanopartikler præsenterer naturligt venstre- og højrehåndede versioner

Et team af forskere fra ITMO University og Trinity College Dublin offentliggjorde de første eksperimentelle resultater, der viser, at almindelige nanokrystaller har iboende chiralitet og kan produceres under normale forhold som en halv-og-halv blanding af spejlbilleder af hinanden. Opdagelsen af ​​denne fundamentale egenskab i nanokrystaller åbner nye horisonter inden for nano- og bioteknologi og medicin, for eksempel, i sådanne applikationer som målrettet lægemiddellevering. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Nano bogstaver .

Lige siden udviklingen af ​​kunstige nanokrystaller, videnskabsmænd troede, at chiralitet - en genstands egenskab til ikke at kunne overlejres med sit spejlbillede - enten var tilfældig eller fuldstændig fraværende i nanokrystaller.

Et fælles eksperiment udført af forskere fra Optics of Quantum Nanostructures laboratorium ved ITMO University og Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices (CRANN) på Trinity College har vist, at standard nanokrystaller (cadmiumselenid kvanteprikker og kvantestænger), faktisk, lav en racemisk (50:50) blanding af 'højre' og 'venstre' chirale former. Indtil nu, chirale nanokrystaller kunne kun opnås kunstigt ved at fæstne specielle chirale ligandmolekyler til overfladen af ​​nanokrystaller.

Kiralitet er iboende for mange objekter i den naturlige verden, startende fra elementarpartikler til spiralgalakser. Vores krop, såvel som mange andre komplekse biologiske objekter, er næsten udelukkende lavet af chirale biomolekyler. Vigtigt, den biologiske aktivitet af 'højre' og 'venstre' former af den samme forbindelse kan variere dramatisk. Ofte er kun én chiral form spiselig eller har den nødvendige terapeutiske effekt, mens dens antipode i bedste fald vil være ubrugelig. For eksempel, molekyler af et velkendt smertestillende middel ibuprofen har to optiske spejlisomerer. En af dem hjælper faktisk med at lindre smerter, mens den anden ikke kun ikke lindrer smerte, men er giftig for organismen.

En vigtig indikator for chiralt miljø kaldes optisk aktivitet:afhængigt af den chirale form af en nanokrystal, den kan rotere planet af polariseret lys enten til højre eller til venstre. En normal opløsning af nanokrystaller afslører pr. definition ikke nogen optisk aktivitet, som altid blev tilskrevet den tilsyneladende ikke-eksistens af chiralitet i nanokrystaller. Efter at have opdelt 'venstre' og 'højre' former for nanokrystaller, forskere fra ITMO University og Trinity College formåede at bevise det modsatte.

"Fraværet af optisk aktivitet i en opløsning af nanokrystaller kan forklares ved, at en racemisk (50:50) blanding kombinerer 'venstre' og 'højre' versioner af nanokrystaller, der samtidig roterer polariseringsplanet i modsatte retninger, dermed ophæver hinanden, siger Maria Mukhina, forsker ved Optics of Quantum Nanostructures laboratorium. "Vi forklarer selve eksistensen af ​​iboende chiralitet i nanokrystaller ved chirale defekter, der forekommer naturligt under normal syntese af nanokrystaller."

Yurii Gun'ko, professor ved Trinity College og meddirektør for International Research and Education Center for Physics of Nanostructures ved ITMO University kommenterer potentielle anvendelser af metoden udviklet af gruppen:

'Der er en global efterspørgsel efter nye måder at opnå chirale nanopartikler på. Vi tror på, at vores metode vil finde anvendelse i biofarmaceutik, nanobioteknologi, nanotoksikologi og biomedicin, især til medicinsk diagnostik og målrettet lægemiddellevering. For eksempel, hvis alle almindeligt anvendte nanopartikler faktisk er chirale, så under interaktion med et biologisk objekt, 50 procent af nanopartikelblandingen vil trænge ind i det biologiske objekt (f.eks. celle), mens de øvrige 50 procent bliver udenfor. Implikationerne af denne konklusion er afgørende for nanotoksikologisk område, men ingen overvejede dem før. En anden potentiel anvendelse har at gøre med chirale kvanteprikkers evne til at udsende venstre- og højredrejende polariseret lys, som gør det muligt at skabe enheder såsom 3-D holografiske skærme og meget mere.'

At adskille forskellige chirale former for nanokrystaller og fange manifestationen af ​​deres iboende chiralitet, forskerne fandt på en teknik, der ifølge gruppen, kan potentielt udvides og bruges sammen med mange andre uorganiske nanomaterialer.

Forskerne nedsænkede nanokrystaller i en tofaset ublandbar opløsning af vand og organisk opløsningsmiddel (chloroform). Da nanokrystaller ikke er opløselige i vand, for at overføre dem fra organisk fase til vand, forskere tilføjede L-cystein, et chiralt molekyle, der ofte anvendes som en ligand til en sådan faseoverførsel. Cystein erstatter hydrofobe ligander på overfladen af ​​nanokrystaller, hvilket gør sidstnævnte vandopløselige. Som resultat, uanset den chirale form af cystein, alle nanokrystaller uden undtagelse vil ende i vand. Forskere fandt ud af, at hvis de afkøler opløsningen og afbryder faseoverførslen på et bestemt tidspunkt, det er muligt at opnå en situation, hvor ensemblet af nanokrystaller er delt ligeligt mellem faserne med 'venstre' og 'højre' nanokrystaller i forskellige faser.

Optisk aktivitet i nanokrystaller adskilt på denne måde bevares selv efter den efterfølgende fjernelse af cystein fra overfladen, som yderligere vidner om den naturlige oprindelse af indre chiralitet i nanokrystaller.