Een team van wetenschappers van ITMO University en Trinity College Dublin publiceerde eerste experimentele resultaten die aantonen dat gewone nanokristallen intrinsieke chiraliteit bezitten en onder normale omstandigheden kunnen worden geproduceerd als een half en half mengsel van spiegelbeelden van elkaar. De ontdekking van deze fundamentele eigenschap in nanokristallen opent nieuwe horizonten in nano- en biotechnologie en geneeskunde, bijvoorbeeld, in toepassingen zoals gerichte medicijnafgifte. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nano-letters .

Sinds de ontwikkeling van kunstmatige nanokristallen, wetenschappers dachten dat chiraliteit - de eigenschap van een object om niet-superponeerbaar te zijn met zijn spiegelbeeld - ofwel willekeurig of volledig afwezig was in nanokristallen.

Een gezamenlijk experiment uitgevoerd door onderzoekers van het Optics of Quantum Nanostructures-laboratorium aan de ITMO University en het Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices (CRANN) aan het Trinity College heeft aangetoond dat standaard nanokristallen (cadmiumselenide-kwantumdots en kwantumstaven), in feite, vormen een racemisch (50:50) mengsel van 'rechts' en 'links' chirale vormen. Tot nu, chirale nanokristallen konden alleen kunstmatig worden bereikt door speciale chirale ligandmoleculen aan het oppervlak van nanokristallen te hechten.

Chiraliteit is inherent aan veel objecten van de natuurlijke wereld, van elementaire deeltjes tot spiraalstelsels. Ons lichaam, evenals vele andere complexe biologische objecten, is bijna volledig gemaakt van chirale biomoleculen. belangrijk, de biologische activiteit van 'rechts' en 'links' vormen van dezelfde verbinding kan dramatisch verschillen. Vaak is slechts één chirale vorm eetbaar of heeft het de gewenste therapeutische werking, terwijl zijn tegenpool op zijn best nutteloos zal zijn. Bijvoorbeeld, moleculen van een bekende pijnstiller ibuprofen hebben twee optische spiegelisomeren. Een van hen helpt inderdaad pijn te verlichten, terwijl de andere niet alleen de pijn niet verlicht, maar is giftig voor het organisme.

Een belangrijke indicator van een chirale omgeving wordt optische activiteit genoemd:afhankelijk van de chirale vorm van een nanokristal, het kan het vlak van gepolariseerd licht naar rechts of naar links draaien. Een normale oplossing van nanokristallen vertoont per definitie geen optische activiteit, die altijd werd toegeschreven aan de schijnbare afwezigheid van chiraliteit in nanokristallen. Nadat de 'linkse' en 'rechtse' vormen van nanokristallen zijn verdeeld, wetenschappers van ITMO University en Trinity College wisten het tegendeel te bewijzen.

'De afwezigheid van optische activiteit in een oplossing van nanokristallen kan worden verklaard door het feit dat een racemisch (50:50) mengsel 'linkse' en 'rechter' versies van nanokristallen combineert die tegelijkertijd het polarisatievlak in tegengestelde richtingen roteren, dus elkaar opheffen, ' zegt Maria Moechina, onderzoeker bij Optics of Quantum Nanostructures laboratorium. 'We verklaren het bestaan ​​van intrinsieke chiraliteit in nanokristallen door chirale defecten die van nature optreden tijdens de normale synthese van nanokristallen.'

Yurii Gun'ko, professor aan het Trinity College en co-directeur van het International Research and Education Center for Physics of Nanostructures aan de ITMO University geeft commentaar op mogelijke toepassingen van de door de groep ontwikkelde methode:

'Er is wereldwijd vraag naar nieuwe manieren om chirale nanodeeltjes te verkrijgen. Wij geloven dat onze methode toepassingen zal vinden in de biofarmaceutica, nanobiotechnologie, nanotoxicologie en biogeneeskunde, in het bijzonder voor medische diagnostiek en gerichte medicijnafgifte. Bijvoorbeeld, als alle veelgebruikte nanodeeltjes inderdaad chiraal zijn, dan tijdens interactie met een biologisch object, 50 procent van het mengsel van nanodeeltjes zal doordringen in het biologische object (bijv. cel), terwijl de andere 50 procent buiten blijft. De implicaties van deze conclusie zijn cruciaal voor nanotoxicologie, maar niemand heeft ze eerder overwogen. Een andere mogelijke toepassing heeft te maken met het vermogen van chirale kwantumstippen om links- en rechtsdraaiend gepolariseerd licht uit te zenden, waardoor het mogelijk is om apparaten te maken zoals 3D holografische displays en nog veel meer.'

Om verschillende chirale vormen van nanokristallen te scheiden en de manifestatie van hun intrinsieke chiraliteit vast te leggen, de wetenschappers bedachten een techniek die, volgens de groep kan potentieel worden uitgebreid en gebruikt met vele andere anorganische nanomaterialen.

De onderzoekers dompelden nanokristallen onder in een niet-mengbare tweefasenoplossing van water en organisch oplosmiddel (chloroform). Omdat nanokristallen niet oplosbaar zijn in water, om ze over te brengen van de organische fase naar het water, wetenschappers voegden L-cysteïne toe, een chiraal molecuul dat vaak wordt gebruikt als een ligand voor een dergelijke faseoverdracht. Cysteïne vervangt hydrofobe liganden op het oppervlak van nanokristallen waardoor deze laatste in water oplosbaar zijn. Als resultaat, ongeacht de chirale vorm van cysteïne, alle nanokristallen komen zonder uitzondering in water terecht. Onderzoekers ontdekten dat als ze de oplossing afkoelen en de faseoverdracht op een bepaald punt onderbreken, het is mogelijk om een ​​situatie te bereiken, waarbij het ensemble van nanokristallen gelijkelijk is verdeeld over de fasen met 'linkse' en 'rechtse' nanokristallen in verschillende fasen.

Optische activiteit in op deze manier gescheiden nanokristallen blijft behouden, zelfs na de daaropvolgende verwijdering van cysteïne van het oppervlak, wat bovendien getuigt van de natuurlijke oorsprong van intrinsieke chiraliteit in nanokristallen.