Superkrystaller med ny arkitektur kan forbedre stofsyntesen

Forskere fra ITMO University og Trinity College har designet en optisk aktiv superkrystal i nanostørrelse, hvis nye arkitektur kan adskille organiske molekyler, således betydeligt lette teknologien til lægemiddelsyntese. Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

Strukturen af ​​den nye superkrystal ligner en helix-trappe. Superkrystallen er sammensat af adskillige stavformede kvanteprikker - små halvlederstykker på omkring flere nanometer i størrelse. Vigtigt, i modsætning til individuelle kvanteprikker, forsamlingen besidder egenskaben chiralitet. Takket være dette karakteristiske træk, sådanne superkrystaller kan finde bred anvendelse i farmakologi til at identificere chirale biomolekyler.

Et objekt er chiralt, hvis det ikke kan overlejres på sit spejlbillede. Det mest almindelige eksempel på chiralitet er menneskehænder. I superkrystalmodellen, chiralitet kan visualiseres som to vindeltrapper med kvanteprikker som trin:den ene drejer til højre, mens den anden drejer til venstre. Derfor, superkrystallen er i stand til at absorbere venstrepolariseret lys og springe højrepolariseret lys over eller omvendt afhængigt af arkitekturen.

Ivan Rukhlenko, leder af Laboratoriet for modellering og design af nanostrukturer, noter, "Som med enhver chiral nanostruktur, anvendelsesområdet for vores superkrystaller er enormt. For eksempel, vi kan bruge dem i farmakologi til at identificere chirale lægemiddelmolekyler. Samles i spiraler omkring dem, kvanteprikker kan udvise kollektive egenskaber, der øger molekylernes absorptionsevne hundredvis af gange. Dermed, molekylerne kan detekteres i opløsning med meget mere nøjagtighed".

Kiralitet er iboende i næsten alle organiske molekyler, herunder proteiner, nukleinsyrer og andre stoffer i den menneskelige krop. Af denne grund, to spejlformer (enantiomerer) af et lægemiddel har forskellig biologisk aktivitet. Mens en form kan producere en terapeutisk effekt ved interaktion med chirale molekyler i organismen, den anden form har muligvis ingen virkning overhovedet eller endda giftig. Dette er grunden til, at omhyggelig adskillelse af enantiomerer under lægemiddelsyntese er af afgørende betydning.

Ud over farmakologi, optisk aktivitet af superkrystaller kan bruges i flere tekniske applikationer, hvor lyspolarisering er påkrævet. Stavformen af ​​hver kvanteprik får dem til at interagere med lys langs længdeaksen, hvilket er grunden til, at den gensidige position af kvanteprikker har nøglebetydning for hele strukturens optiske egenskaber. Tilsvarende optiske effekter af superkrystaller manifesteres stærkest, når lyset fordeles langs den centrale akse. Derfor, ved at orientere superkrystallerne i løsningen kan forskere skifte optisk aktivitet af systemet, på samme måde som det gøres med flydende krystaller.

Støttet af Trinity College, forskere har undersøgt modellens optiske respons. For at studere superkrystallen, forskere varierede en række morfologiske parametre for dens struktur. De strakte den ud som en fjeder og ændrede afstanden mellem kvanteprikker og deres orientering i forhold til hinanden.

"For første gang, vi kunne teoretisk identificere parametrene for chiral superkrystal, der lader os opnå maksimal optisk effekt. Takket være denne tilgang, vi undgik fremstillingen af ​​mange unødvendige kopier med uforudsigelige egenskaber, " siger Anvar Baimuratov, hovedforfatter af undersøgelsen, forskningsassistent ved Center of Information Optical Technologies (IOT) ved ITMO University. "At kende outputparametrene for optiske egenskaber, vi kan modellere en superkrystal for at løse et specifikt problem. Omvendt have data om superkrystalstrukturen, vi kan nøjagtigt forudsige dens optiske aktivitet."

Baseret på resultaterne opnået af russiske videnskabsmænd, deres kolleger fra Dresden University of Technology planlægger at bringe modellen ud i livet og syntetisere superkrystallen ved hjælp af DNA-origami. Denne metode gør det muligt at samle en spiralformet struktur fra kvanteprikker gennem mediering af DNA-molekyler. "Eksperimentel undersøgelse af vores superkrystaller skulle bekræfte deres teoretisk forudsagte egenskaber og identificere nye. Men den største fordel ved ny halvlederstruktur er allerede tydelig - at variere dens morfologi i synteseprocessen, vi kan ændre superkrystallens optiske respons i et bredt frekvensområde, " tilføjer Ivan Rukhlenko.

En række nuværende teknologier er baseret på brugen af ​​enkelte kvanteprikker. Nu, forskerne foreslår at samle dem i superkrystaller. "Samling af kvanteprikker i blokke, vi får flere grader af frihed til at ændre den optiske aktivitet af superkrystalløsninger. Jo mere kompleks strukturen er, jo stærkere dens egenskaber afhænger af, hvordan vi har sat elementerne sammen. Tilføjelse af kompleksitet til strukturen vil føre til fremkomsten af ​​en række nye optiske materialer, " slutter Anvar Baimuratov.