Chirale nanomaterialen met vloeibare kristallen, een uitgebreide recensie

Chiraliteit is alomtegenwoordig in levende organismen en in de natuur. Chirale architecturen zijn te vinden op verschillende hiërarchische niveaus, variërend van atomaire en moleculaire tot supramoleculaire, macroscopische en galactische schalen. Chiraliteit op moleculaire schaal is echter inherent zwak, en het uitbreiden van de chiraliteit van moleculen naar nanomaterialen zou veel nieuwe kansen kunnen bieden voor het ontwerp en de synthese van opkomende chirale functionele nanomaterialen met een opmerkelijke verbetering in chiroptische eigenschappen.

Chirale nanomaterialen kunnen worden gerealiseerd door gerichte zelfassemblage van achirale functionele bouwstenen op nanoschaal met behulp van verschillende chirale zachte sjablonen zoals DNA, peptide en eiwit, vloeibaar kristal (LC), chiraal polymeer en organogelators. Van de verschillende chirale zachte sjablonen zijn vloeibaar-kristallijne zachte sjablonen zeer aantrekkelijk vanwege hun inherente langeafstandsgeordende moleculaire assemblages die vloeibare vloeibaarheid koppelen aan kristalordening van moleculair tot macroscopisch hiërarchisch niveau.

Onlangs hebben veel onderzoekers zich toegelegd op het ontwerp en de synthese van geavanceerde chirale functionele nanomaterialen met behulp van vloeibare kristallijne zachte sjablonen. Door te profiteren van de chirale zelfassemblage van verschillende chirale vloeibaar-kristallijne fasen, is het mogelijk om hun chiraliteit en periodiciteit over te dragen in functionele nanomaterialen met unieke en ongekende functionaliteiten.

In een uitgenodigd review paper gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingenProfessor Ling Wang en Wei Feng van de School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, China, Professor Quan Li van Institute of Advanced Materials and School of Chemistry and Chemical Engineering, Southeast University, China, en hun medewerkers hebben een uitgebreide overzicht van de state-of-the-art vooruitgang van chirale nanomaterialen met vloeibare kristallen en hun veelbelovende toepassingen.

Eerst worden de kritische chiroptische eigenschappen van chirale nanomaterialen geïntroduceerd. Vervolgens wordt een overzicht van chirale functionele nanomaterialen getoond, waaronder chirale plasmonische nanomaterialen op basis van thermotrope en lyotrope vloeibaar-kristalsjablonen, evenals chirale luminescente nanomaterialen op basis van verschillende bouwstenen op nanoschaal, zoals opkomende anorganische kwantumdots, perovskiet-nanokristallen en upconversie nanodeeltjes.

Ten slotte wordt deze beoordeling afgesloten met een perspectief op de opkomende toepassingen, uitdagingen en toekomstige kansen van dergelijke fascinerende chirale nanomaterialen. Deze beoordeling kan niet alleen ons begrip van de grondbeginselen van de chiraliteit van zachte materie verdiepen, maar ook licht werpen op de ontwikkeling van geavanceerde chirale functionele nanomaterialen naar hun veelzijdige toepassingen in optica, biologie, katalyse, elektronica en daarbuiten.

“Vergeleken met opkomende op DNA gebaseerde zachte sjablonen, zijn chirale vloeibaar-kristallijne sjablonen sneller, goedkoper en beter aanpasbaar om de zelfassemblage van bouwstenen op nanoschaal in willekeurige en hoogwaardige chirale nanomaterialen over een groter bereik van schalen te begeleiden, dankzij aan hun inherente, op lange afstand geordende moleculaire rangschikkingen die de vloeibare vloeibaarheid combineren met kristalordening van atomair-moleculaire tot macroscopische niveaus, “zei Ling Wang en Quan Li.

“Verschillende thermotrope en lyotrope vloeibare kristalsjablonen zijn toegepast voor het vervaardigen van chirale plasmonische nanomaterialen met verbeterd circulair dichroïsme (CD), versterkte dissymmetriefactor en dynamische chiroptische reacties, die van het grootste belang zijn voor veel potentiële toepassingen, zoals negatieve-brekingsindex materialen, ultragevoelige biosensing, enantioselectieve analyse en meer.”

“Een verscheidenheid aan opkomende functionele bouwstenen op nanoschaal, zoals anorganische kwantumdots, perovskiet-nanokristallen en opconversie-nanodeeltjes, zijn gebruikt voor het ontwerp en de synthese van nieuwe chirale luminescente nanomaterialen die aanzienlijk verbeterde circulair gepolariseerde luminescentie vertonen, die belangrijke toepassingen zouden kunnen vinden in veel opkomende gebieden, zoals biologische wetenschap, 3D-weergave, informatieversleuteling, chirale spintronica en enantioselectieve fotochemie.”

“Ondanks de geweldige prestaties, bevindt de ontwikkeling van chirale functionele nanomaterialen op basis van een bottom-up zachte sjabloonstrategie zich nog in de beginfase, en er zijn nog veel uitdagingen die moeten worden aangepakt voor het motiveren van baanbrekend onderzoek op dit belangrijke gebied. De eerste is het ontwikkelen van chirale functionele nanomaterialen met hoge optische asymmetrie g-factoren (g_buikspieren voor absorptie en g_lum voor luminescentie), aangezien de gerapporteerde waarden nog ver verwijderd zijn van de theoretische waarde van ±2.”

“De tweede is om de chirale functionele nanomaterialen te voorzien van afstembare chiroptische activiteit voor verschillende doelgolflengten, variërend van de ultraviolette, zichtbare, nabij-infrarode tot terahertz-regio’s. Belangrijk is dat er in toekomstig onderzoek meer aandacht moet worden besteed om de onderzoekskloof van het proof-of-concept op laboratoriumschaal tot de grootschalige synthese van chirale functionele nanomaterialen en hun integratie in hiërarchische architecturen met meerdere materialen en zelfs complexere geavanceerde functionele apparaten”, voegde ze eraan toe.

“De unieke combinatie van vloeibaar kristallijne nanowetenschap met chiraliteit op nanoschaal en opkomende bottom-up zelfassemblage zal vitaliteit geven aan de ontwikkeling van programmeerbare en herconfigureerbare chirale functionele nanomaterialen met onbeperkte mogelijkheden. Toekomstige inspanningen van wetenschappers en ingenieurs met multidisciplinaire onderzoeksachtergronden zullen zeker nieuwe verandert in fundamentele doorbraak en technologische toepassingen van opkomende chiraliteit van zachte materie en echt geavanceerde chirale functionele nanomaterialen die biologie, optica, elektronica, spintronica, natuurkunde, scheikunde, materiaalkunde, apparaattechniek en andere interdisciplinaire gebieden omvatten, “zei ze.