Ett team av forskare från ITMO University och Trinity College Dublin publicerade de första experimentella resultaten som visar att vanliga nanokristaller har inneboende kiralitet och kan produceras under normala förhållanden som en halv och en halv blandning av spegelbilder av varandra. Upptäckten av denna grundläggande egenskap i nanokristaller öppnar nya horisonter inom nano- och bioteknik och medicin, till exempel, i sådana applikationer som riktad läkemedelsleverans. Resultaten av studien publicerades i Nanobokstäver .

Ända sedan utvecklingen av konstgjorda nanokristaller, forskare trodde att kiralitet - egenskapen hos ett objekt att vara icke-överlagringsbar med dess spegelbild - var antingen slumpmässig eller helt frånvarande i nanokristaller.

Ett gemensamt experiment utfört av forskare från Optics of Quantum Nanostructures laboratory vid ITMO University och Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices (CRANN) vid Trinity College har visat att standard nanokristaller (kadmiumselenidkvantprickar och kvantstavar), faktiskt, utgör en racemisk (50:50) blandning av "höger" och "vänster" kirala former. Tills nu, kirala nanokristaller kunde endast uppnås artificiellt genom att fästa speciella kirala ligandmolekyler på ytan av nanokristaller.

Kiralitet är inneboende för många föremål i den naturliga världen, från elementarpartiklar till spiralgalaxer. Vår kropp, såväl som många andra komplexa biologiska föremål, är nästan helt gjord av kirala biomolekyler. Viktigt, den biologiska aktiviteten hos "höger" och "vänster" former av samma förening kan skilja sig dramatiskt. Ofta är bara en kiral form ätbar eller har den erforderliga terapeutiska effekten, medan dess antipod i bästa fall kommer att vara värdelös. Till exempel, molekyler av ett välkänt smärtstillande ibuprofen har två optiska spegelisomerer. En av dem hjälper verkligen till att lindra smärta, medan den andra inte bara inte lindrar smärta, men är giftigt för organismen.

En nyckelindikator på kiral miljö kallas optisk aktivitet:beroende på den kirala formen av en nanokristall, den kan rotera planet av polariserat ljus antingen till höger eller till vänster. En normal lösning av nanokristaller avslöjar per definition ingen optisk aktivitet, vilket alltid tillskrevs den uppenbara obefintligheten av kiralitet i nanokristaller. Efter att ha delat upp "vänster" och "höger" former av nanokristaller, forskare från ITMO University och Trinity College lyckades bevisa motsatsen.

"Frånvaron av optisk aktivitet i en lösning av nanokristaller kan förklaras av det faktum att en racemisk (50:50) blandning kombinerar "vänster" och "höger" versioner av nanokristaller som samtidigt roterar polarisationsplanet i motsatta riktningar, på så sätt avbryter varandra, säger Maria Mukhina, forskare vid Optics of Quantum Nanostructures laboratorium. "Vi förklarar själva existensen av inneboende kiralitet i nanokristaller genom kirala defekter som uppstår naturligt under normal syntes av nanokristaller."

Yurii Gun'ko, professor vid Trinity College och meddirektör för International Research and Education Centre for Physics of Nanostructures vid ITMO University kommenterar potentiella tillämpningar av metoden som utvecklats av gruppen:

"Det finns en global efterfrågan på nya sätt att få kirala nanopartiklar. Vi tror att vår metod kommer att hitta tillämpningar inom biofarmaceutik, nanobioteknik, nanotoxikologi och biomedicin, särskilt för medicinsk diagnostik och riktad läkemedelsleverans. Till exempel, om alla vanliga nanopartiklar verkligen är kirala, sedan under interaktion med ett biologiskt föremål, 50 procent av nanopartikelblandningen kommer att tränga in i det biologiska föremålet (t.ex. cell), medan övriga 50 procent kommer att stanna utanför. Konsekvenserna av denna slutsats är avgörande för nanotoxikologiområdet, men ingen övervägde dem tidigare. En annan potentiell tillämpning har att göra med kirala kvantprickars förmåga att avge vänster- och högervridande polariserat ljus, som gör det möjligt att skapa enheter som 3-D holografiska skärmar och mycket mer.'

För att separera olika kirala former av nanokristaller och fånga manifestationen av deras inneboende kiralitet, forskarna kom på en teknik som enligt gruppen, kan potentiellt utökas och användas med många andra oorganiska nanomaterial.

Forskarna nedsänkte nanokristaller i en tvåfas oblandbar lösning av vatten och organiskt lösningsmedel (kloroform). Eftersom nanokristaller inte är lösliga i vatten, för att överföra dem från organisk fas till vatten, forskare lade till L-cystein, en kiral molekyl som ofta används som en ligand för en sådan fasöverföring. Cystein ersätter hydrofoba ligander på ytan av nanokristaller och gör de senare vattenlösliga. Som ett resultat, oavsett den kirala formen av cystein, alla nanokristaller utan undantag kommer att hamna i vatten. Forskare fann att om de kyler lösningen och avbryter fasöverföringen vid en viss punkt, det är möjligt att uppnå en situation, varvid ensemblen av nanokristaller är lika uppdelad mellan faserna med "vänster" och "höger" nanokristaller i olika faser.

Optisk aktivitet i nanokristaller separerade på detta sätt bevaras även efter det efterföljande avlägsnandet av cystein från ytan, som dessutom vittnar om det naturliga ursprunget till inneboende kiralitet i nanokristaller.