Wetenschappers van ITMO University en Trinity College hebben een optisch actief superkristal met nanogrootte ontworpen waarvan de nieuwe architectuur organische moleculen kan scheiden, waardoor de technologie van geneesmiddelsynthese aanzienlijk wordt vergemakkelijkt. De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

De structuur van het nieuwe superkristal is vergelijkbaar met een spiraaltrap. Het superkristal is samengesteld uit talrijke staafvormige kwantumstippen - kleine halfgeleiderstukjes van ongeveer enkele nanometers groot. belangrijk, in tegenstelling tot individuele kwantumstippen, de assemblage bezit de eigenschap van chiraliteit. Dankzij dit onderscheidende kenmerk, dergelijke superkristallen kunnen brede toepassing vinden in de farmacologie om chirale biomoleculen te identificeren.

Een object is chiraal als het niet op zijn spiegelbeeld kan worden gelegd. Het meest voorkomende voorbeeld van chiraliteit zijn mensenhanden. In het superkristalmodel chiraliteit kan worden gevisualiseerd als twee wenteltrappen met kwantumstippen als treden:één draait naar rechts, terwijl de ander naar links gaat. Daarom, het superkristal kan links-gepolariseerd licht absorberen en rechts-gepolariseerd licht overslaan of andersom, afhankelijk van de architectuur.

Ivan Rukhlenko, hoofd van het Modelling and Design of Nanostructures Laboratory, notities, "Zoals bij elke chirale nanostructuur, het toepassingsgebied van onze superkristallen is enorm. Bijvoorbeeld, we kunnen ze in de farmacologie gebruiken om chirale medicijnmoleculen te identificeren. Verzamelen zich in spiralen om hen heen, kwantumstippen kunnen collectieve eigenschappen vertonen die het absorptievermogen van moleculen honderden keren verbeteren. Dus, de moleculen kunnen binnen de oplossing met veel meer nauwkeurigheid worden gedetecteerd".

Chiraliteit is inherent aan bijna alle organische moleculen, inclusief eiwitten, nucleïnezuren en andere stoffen in het menselijk lichaam. Om deze reden, twee spiegelvormen (enantiomeren) van één geneesmiddel hebben een verschillende biologische activiteit. Hoewel één vorm een ​​therapeutisch effect kan hebben bij interactie met chirale moleculen in het organisme, de andere vorm kan helemaal geen effect hebben of zelfs giftig zijn. Dit is de reden waarom zorgvuldige scheiding van enantiomeren tijdens de synthese van geneesmiddelen van vitaal belang is.

Naast farmacologie, optische activiteit van superkristallen kan worden gebruikt in verschillende technische toepassingen waar lichtpolarisatie vereist is. De staafvorm van elke kwantumdot zorgt ervoor dat ze interageren met licht langs de lengteas, daarom is de onderlinge positie van kwantumdots van cruciaal belang voor de optische eigenschappen van de hele structuur. evenzo, optische effecten van superkristallen komen het sterkst tot uiting wanneer het licht langs de centrale as wordt verdeeld. Daarom, door de superkristallen in oplossing te oriënteren, kunnen wetenschappers de optische activiteit van het systeem veranderen, vergelijkbaar met de manier waarop het wordt gedaan met vloeibare kristallen.

Ondersteund door Trinity College, wetenschappers hebben de optische respons van het model onderzocht. Om het superkristal te bestuderen, onderzoekers varieerden een aantal morfologische parameters van de structuur. Ze rekten het uit als een veer en veranderden de afstand tussen kwantumstippen en hun oriëntatie ten opzichte van elkaar.

"Voor de eerste keer, we zouden theoretisch de parameters van chiraal superkristal kunnen identificeren waarmee we een maximaal optisch effect kunnen bereiken. Dankzij deze aanpak we vermeden de fabricage van veel onnodige kopieën met onvoorspelbare eigenschappen, " zegt Anvar Baimuratov, hoofdauteur van de studie, onderzoeksmedewerker bij het Center of Information Optical Technologies (IOT) aan de ITMO University. "De uitvoerparameters van optische eigenschappen kennen, we kunnen een superkristal modelleren om een ​​specifiek probleem op te lossen. Omgekeerd, met gegevens over de superkristalstructuur, we kunnen de optische activiteit nauwkeurig voorspellen."

Op basis van de resultaten verkregen door de Russische wetenschappers, hun collega's van de Technische Universiteit van Dresden zijn van plan het model tot leven te brengen en het superkristal te synthetiseren door middel van DNA-origami. Met deze methode kan een spiraalvormige structuur worden samengesteld uit kwantumdots door bemiddeling van DNA-moleculen. "Experimentele studie van onze superkristallen zou hun theoretisch voorspelde eigenschappen moeten bevestigen en nieuwe moeten identificeren. Maar het belangrijkste voordeel van de nieuwe halfgeleiderstructuur is al duidelijk - de morfologie ervan in het syntheseproces varieert, we kunnen de optische respons van het superkristal in een breed frequentiebereik veranderen, ", voegt Ivan Rukhlenko toe.

Een aantal huidige technologieën is gebaseerd op het gebruik van enkelvoudige kwantumdots. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers stellen voor om ze in superkristallen te verzamelen. "Het assembleren van kwantumstippen in blokken, we krijgen meer vrijheidsgraden om de optische activiteit van superkristaloplossingen te veranderen. Hoe complexer de structuur, hoe sterker de eigenschappen ervan afhangen van hoe we de elementen in elkaar hebben gezet. Het toevoegen van complexiteit aan de structuur zal leiden tot het verschijnen van een aantal nieuwe optische materialen, " concludeert Anvar Baimuratov.