Vervolgens telden ze ‘gewoon’ het aantal rechts- en linkshandige heliceenmoleculen op de verschillend gemagnetiseerde kobalteilanden, bijna 800 moleculen in totaal, opnieuw met behulp van scanning tunneling microscopie. En kijk eens:afhankelijk van de richting van het magnetische veld had de ene of de andere vorm van de heliceenspiralen zich bij voorkeur gevestigd.

Bovendien lieten de experimenten zien dat de selectie – de voorkeur voor de ene of de andere enantiomeer – niet alleen plaatsvindt tijdens de binding op de kobalteilanden, maar al vooraf.

Voordat de moleculen hun uiteindelijke (voorkeurs)positie op een van de kobalteilanden innemen, migreren ze lange afstanden over het koperoppervlak in een aanzienlijk zwakker gebonden precursortoestand op zoek naar een ideale positie. Ze worden alleen aan het oppervlak gebonden door zogenaamde van der Waals-krachten. Deze worden louter veroorzaakt door fluctuaties in de elektronische schil van atomen en moleculen en zijn daarom relatief zwak. Dat zelfs deze beïnvloed worden door magnetisme, dat wil zeggen de draairichting (spin) van de elektronen, was tot nu toe niet bekend.

Elektronen met de 'verkeerde' spin worden eruit gefilterd

Met behulp van scanning tunneling microscopie konden de onderzoekers ook een ander mysterie oplossen, zoals ze rapporteerden in het tijdschrift Small in november 2023. Elektronentransport – d.w.z. elektrische stroom – hangt ook af van de combinatie van moleculaire handigheid en magnetisatie van het oppervlak.

Afhankelijk van de handigheid van het gebonden molecuul, stromen elektronen met één spinrichting bij voorkeur (of 'tunnelen') door het molecuul, wat betekent dat elektronen met de 'verkeerde' spin worden uitgefilterd. Deze door chiraliteit geïnduceerde spinselectiviteit was al in eerdere studies waargenomen, maar het bleef onduidelijk of hiervoor een ensemble van moleculen nodig is of dat individuele moleculen dit effect ook vertonen.

Ernst en zijn collega's hebben nu kunnen aantonen dat individuele heliceenmoleculen ook het CISS-effect vertonen. "Maar de natuurkunde hierachter wordt nog steeds niet begrepen", geeft Ernst toe.

De Empa-onderzoeker is ook van mening dat zijn bevindingen uiteindelijk de vraag naar de chiraliteit van het leven niet volledig kunnen beantwoorden. Met andere woorden, de vraag die de Nobelprijswinnaar voor de scheikunde en ETH-chemicus Vladimir Prelog in zijn Nobelprijslezing in 1975 omschreef als “een van de eerste problemen van de moleculaire theologie”.

Maar Ernst kan zich voorstellen dat bij bepaalde door het oppervlak gekatalyseerde chemische reacties – zoals die welke hadden kunnen plaatsvinden in de chemische ‘oersoep’ op de vroege aarde – een bepaalde combinatie van elektrische en magnetische velden had kunnen leiden tot een gestage accumulatie van één veld. vorm van een van de verschillende biomoleculen – en dus uiteindelijk de handigheid van het leven.

Meer informatie: Mohammad Reza Safari et al, Enantioselectieve adsorptie op magnetische oppervlakken, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202308666

Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie