Forskare från ITMO University och Trinity College har designat en optiskt aktiv nanostor superkristall vars nya arkitektur kan separera organiska molekyler, vilket avsevärt underlättar tekniken för läkemedelssyntes. Studien publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Strukturen på den nya superkristallen liknar en spiraltrappa. Superkristallen är sammansatt av många stavformade kvantprickar - små halvledarbitar på ungefär flera nanometer i storlek. Viktigt, till skillnad från enskilda kvantprickar, församlingen besitter kiralitetens egendom. Tack vare denna utmärkande egenskap, sådana superkristaller kan få bred tillämpning inom farmakologi för att identifiera kirala biomolekyler.

Ett objekt är kiralt om det inte kan läggas över på sin spegelbild. Det vanligaste exemplet på kiralitet är mänskliga händer. I superkristallmodellen, kiralitet kan visualiseras som två spiraltrappor med kvantprickar som steg:en svänger åt höger, medan den andra svänger vänster. Därför, superkristallen kan absorbera vänsterpolariserat ljus och hoppa över högerpolariserat ljus eller tvärtom beroende på arkitekturen.

Ivan Rukhlenko, chef för Laboratoriet för modellering och design av nanostrukturer, anteckningar, "Som med alla kirala nanostrukturer, användningsområdet för våra superkristaller är enormt. Till exempel, vi kan använda dem i farmakologi för att identifiera kirala läkemedelsmolekyler. Samlas i spiraler runt dem, kvantprickar kan uppvisa kollektiva egenskaper som förbättrar molekylernas absorptionsförmåga hundratals gånger. Således, molekylerna kan detekteras i lösningen med mycket mer noggrannhet".

Kiralitet är inneboende i nästan alla organiska molekyler, inklusive proteiner, nukleinsyror och andra ämnen i människokroppen. Av denna anledning, två spegelformer (enantiomerer) av ett läkemedel har olika biologisk aktivitet. Medan en form kan ge en terapeutisk effekt vid interaktion med kirala molekyler i organismen, den andra formen kanske inte har någon effekt alls eller till och med är giftig. Detta är anledningen till att noggrann separation av enantiomerer under läkemedelsyntes är oerhört viktigt.

Förutom farmakologi, optisk aktivitet hos superkristaller kan användas i flera tekniska tillämpningar där ljuspolarisering krävs. Stångformen på varje kvantpunkt får dem att interagera med ljus längs längsaxeln, vilket är anledningen till att den ömsesidiga positionen av kvantprickar har nyckelvikt för optiska egenskaper hos hela strukturen. Liknande, optiska effekter av superkristaller manifesteras starkast när ljuset fördelas längs den centrala axeln. Därför, genom att orientera superkristaller i lösning kan forskare byta systemets optiska aktivitet, på samma sätt som det görs med flytande kristaller.

Med stöd av Trinity College, forskare har undersökt modellens optiska svar. För att studera superkristallen, forskare varierade ett antal morfologiska parametrar för dess struktur. De sträckte den som en fjäder och ändrade avståndet mellan kvantprickar och deras orientering i förhållande till varandra.

"För första gången, vi kunde teoretiskt identifiera parametrarna för kiral superkristall som låter oss uppnå maximal optisk effekt. Tack vare detta tillvägagångssätt, vi undvek att tillverka många onödiga kopior med oförutsägbara egenskaper, " säger Anvar Baimuratov, huvudförfattare till studien, forskningsassistent vid Center of Information Optical Technologies (IOT) vid ITMO University. "Att känna till utgångsparametrarna för optiska egenskaper, vi kan modellera en superkristall för att lösa ett specifikt problem. Omvänt, med data om superkristallstrukturen, vi kan exakt förutsäga dess optiska aktivitet."

Baserat på resultaten från de ryska forskarna, deras kollegor från Dresden tekniska universitet planerar att väcka modellen till liv och syntetisera superkristallen med hjälp av DNA -origami. Denna metod tillåter sammansättning av en spiralformad struktur från kvantprickar genom förmedling av DNA-molekyler. "Experimentell studie av våra superkristaller bör bekräfta deras teoretiskt förutspådda egenskaper och identifiera nya. Men den största fördelen med ny halvledarstruktur är redan uppenbar - att variera dess morfologi i syntesprocessen, vi kan ändra superkristallens optiska svar inom ett brett frekvensområde, ", tillägger Ivan Rukhlenko.

Ett antal nuvarande teknologier är baserade på användningen av enstaka kvantprickar. Nu, forskarna föreslår att samla dem i superkristaller. "Sammansättning av kvantprickar i block, vi får mer frihetsgrader att ändra optisk aktivitet hos superkristalllösningar. Ju mer komplex strukturen är, ju starkare dess egenskaper beror på hur vi har satt ihop elementen. Att lägga till komplexitet till strukturen kommer att leda till uppkomsten av ett antal nya optiska material, "avslutar Anvar Baimuratov.