I chimici sviluppano un nuovo metodo per creare strutture chirali

Alcune molecole esistono in due forme tali che le loro strutture e le loro immagini speculari non sono sovrapponibili, come le nostre mani sinistra e destra. Chiamata chiralità, è una proprietà che queste molecole hanno a causa della loro asimmetria. Le molecole chirali tendono ad essere otticamente attive a causa del modo in cui interagiscono con la luce. Spesso in natura esiste solo una forma di molecola chirale, ad esempio il DNA. È interessante notare che, se una molecola chirale funziona bene come farmaco, la sua immagine speculare potrebbe essere inefficace per la terapia.

Nel tentativo di produrre chiralità artificiale in laboratorio, un team guidato da chimici dell'Università della California, Riverside, ha scoperto che la distribuzione di un campo magnetico è di per sé chirale.

"Abbiamo scoperto che le linee del campo magnetico prodotte da qualsiasi magnete, compreso un magnete a barra, hanno chiralità", ha affermato Yadong Yin, professore di chimica, che ha guidato il team. “Inoltre, siamo stati anche in grado di utilizzare la distribuzione chirale del campo magnetico per indurre le nanoparticelle a formare strutture chirali”.

Tradizionalmente, i ricercatori hanno utilizzato il “template” per creare una molecola chirale. Come modello viene inizialmente utilizzata una molecola chirale. Le nanoparticelle achirali (o non chirali) vengono quindi assemblate su questo modello, consentendo loro di imitare la struttura della molecola chirale. Lo svantaggio di questa tecnica è che non può essere applicata universalmente, poiché dipende fortemente dalla composizione specifica della molecola modello. Un altro limite è che la struttura chirale appena formata non può essere facilmente posizionata in una posizione specifica, ad esempio, su un dispositivo elettronico.

"Ma per ottenere un effetto ottico, è necessaria una molecola chirale che occupi un posto particolare sul dispositivo", ha detto Yin. “La nostra tecnica supera questi inconvenienti. Siamo in grado di formare rapidamente strutture chirali assemblando magneticamente materiali di qualsiasi composizione chimica su scale che vanno dalle molecole alle nano e microstrutture”.

Yin ha spiegato che il metodo del suo team utilizza magneti permanenti che ruotano costantemente nello spazio per generare la chiralità. Ha detto che il trasferimento della chiralità alle molecole achirali avviene mediante doping, cioè incorporando specie ospiti, come metalli, polimeri, semiconduttori e coloranti nelle nanoparticelle magnetiche utilizzate per indurre la chiralità.

I risultati dello studio appaiono oggi sulla rivista Science.

Yin ha affermato che i materiali chirali acquisiscono un effetto ottico quando interagiscono con la luce polarizzata. Nella luce polarizzata, le onde luminose vibrano su un unico piano, riducendo l'intensità complessiva della luce. Di conseguenza, le lenti polarizzate negli occhiali da sole riducono i riflessi sui nostri occhi, mentre le lenti non polarizzate no.

"Se cambiamo il campo magnetico che produce la struttura chirale di un materiale, possiamo cambiare la chiralità, che quindi crea diversi colori che possono essere osservati attraverso le lenti polarizzate", ha detto Yin. “Questo cambiamento di colore è istantaneo. Con il nostro metodo è anche possibile far scomparire istantaneamente la chiralità, consentendo una rapida messa a punto della chiralità”.

I risultati potrebbero avere applicazioni nella tecnologia anticontraffazione. Uno schema chirale che indica l'autenticità di un oggetto o di un documento sarebbe invisibile a occhio nudo ma visibile se visto attraverso lenti polarizzate. Altre applicazioni dei risultati riguardano il rilevamento e il campo dell'optoelettronica.

"Si possono realizzare dispositivi optoelettronici più sofisticati sfruttando la sintonizzazione della chiralità consentita dal nostro metodo", ha affermato Zhiwei Li, il primo autore dell'articolo ed ex studente laureato nel laboratorio di Yin. “Per quanto riguarda il rilevamento, il nostro metodo può essere utilizzato per rilevare rapidamente molecole chirali o achirali legate a determinate malattie, come il cancro e le infezioni virali”.

Yin e Li sono stati affiancati nella ricerca da un team di studenti laureati nel laboratorio di Yin, tra cui Qingsong Fan, Zuyang Ye, Chaolumen Wu e Zhongxiang Wang. Li è ora un ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University nell'Illinois.

La ricerca è stata finanziata da una sovvenzione a Yin da parte della National Science Foundation. L'UCR Office of Technology Partnerships ha depositato una domanda di brevetto relativa a questo lavoro.