För första gången, en enda, vridna nanopartiklar har noggrant mätts och karakteriserats i ett labb, ta forskare ett viktigt steg närmare en tid då läkemedel kommer att produceras och blandas i mikroskopisk skala.

Fysiker vid University of Bath som studerar material på nanoskala – det vill säga, molekyler 10, 000 mindre än ett nålhuvud-gjorde sina banbrytande observationer med en ny metod för att undersöka formen av nanopartiklar i 3D. Denna teknik, kallad hyper-Rayleigh scattering optical activity (HRS OA) teknik, användes för att undersöka guldstrukturen (bland annat material), vilket resulterar i en exceptionellt tydlig bild av "skruvgänget" -vridningen i metallens form.

Att förstå vridningarna i ett material (känd som dess kiralitet) är avgörande i industrier som producerar läkemedel, parfymer, livsmedelstillsatser och bekämpningsmedel, eftersom riktningen i vilken en molekyl vrider sig bestämmer några av dess egenskaper. Till exempel, en molekyl som vrider sig medurs kommer att producera lukten av citroner medan den identiska molekylen som vrider sig moturs (spegelbilden av den citronluktande molekylen) luktar apelsiner.

"Kiralitet är en av naturens mest grundläggande egenskaper. Den finns i subatomära partiklar, i molekyler (DNA, proteiner), i organ (hjärtat, hjärnan), i biomaterial (som snäckskal), i stormmoln (tornados) och i form av galaxer (spiraler som slungar genom rymden).", sa professor Ventsislav Valev, som ledde projektet.

Tills nu, fysiker har förlitat sig på 200 år gamla optiska metoder för att bestämma de kirala egenskaperna hos molekyler och material, men dessa metoder är svaga och kräver stora mängder molekyler eller material för att fungera. Genom deras användning av en teknik baserad på kraftfulla laserpulser, Professor Valev och hans team vid Baths Center for Photonics and Photonic Materials har tagit fram en mycket känsligare sond för kiralitet, en som kan upptäcka en enda nanopartikel när den flyter fritt i en vätska.

Denna upptäckt gjordes av Baths fysiska institution i samarbete med institutionen för kemi. Forskarnas resultat publiceras i Nano bokstäver .

"Detta är både ett rekord och en milstolpe inom nanoteknik, ", sa professor Valev. "Att driva den här forskningslinjen har varit en av de mest givande prestationerna i min karriär."

"Iakttagelsen av Valevs grupp är historisk, och vetenskapligt inspirerar det oss i vårt arbete att syntetisera nya kirala 3D-nanomaterial, ", sa studiens medförfattare professor Ki Tae Nam från Material Science and Engineering vid Seoul National University i Republiken Korea.

De potentiella tillämpningarna för ultrakänslig kiral avkänning är många. Till exempel, många läkemedel är kirala. Lokala apotekare kommer att kunna utnyttja tekniken för att blanda substanser på ett helt nytt sätt, producerar läkemedel från små droppar av aktiva ingredienser snarare än från stora bägare med kemikalier.

"Du kommer att kunna gå till apoteket med ett recept och istället för att få en medicin som måste blandas från flaskor med kemikalier och sedan förvaras i kylen i flera dagar, du kommer att gå därifrån med piller som är minilabb. Efter att ha knäckt p-piller, ett exakt antal mikrodroppar kommer att flöda genom mikrokanaler för att blanda och producera den medicin som behövs, säger professor Valev.

"För dessa minilabb för att producera kirala läkemedel, du måste veta antalet molekyler och katalysatorer inom varje mikrodroppe, såväl som deras chiralitet." sa doktorand Lukas Ohnoutek, vem är den första författaren på tidningen. "Det är här vårt resultat verkligen är viktigt. Vi kan nu sikta på att producera mikrodroppar som innehåller en enda kiral nanopartikel, att använda som katalysatorer i kemiska reaktioner."

Professor Valev tillade:"Ser framåt, vi kan tänka oss att bygga upp kirala material och till och med maskiner, en nanopartikel i taget, från sådana mikrodroppar. Att göra det skulle vara fantastiskt."