Driedimensionale bloemkronen met on-demand chirale selectiviteit

Onderzoekers van Hanyang University hebben onlangs een driedimensionale (3D) microarray ontworpen met dynamische chiraliteitsselectie.

Chiraliteit is een niet-superponeerbare eigenschap van structuur; de linkerhand ziet er bijvoorbeeld uit als de rechter in een spiegel, maar de linkerhand kan niet door de rechter worden gesuperponeerd. Chirale structuren zijn bestudeerd op biochemisch gebied als onderdeel van de zoektocht naar geneesmiddelen die zich binden aan DNA-eiwitten. Er is geprobeerd kunstmatige fabricage van chirale structuren te maken voor functionaliteit vanuit chirale selectiviteit; het is echter moeilijk om de chiraliteit dynamisch om te schakelen.

Een op bloemkroon geïnspireerde studie, gepubliceerd in ACS Nano, is de eerste die on-demand en dynamisch gecontroleerde chirale selectiviteit van een 3D-microstructuur demonstreert. De onderzoekers lieten zich inspireren door de chiraliteit van de bloemkroon, die zo vaak zichtbaar is in de natuur. Bloemen zoals de Mandevilla beschermen zichzelf tegen harde wind door de chiraliteit van de bloemkroon met vijf bloemblaadjes. Deze chirale bloemkroon gebruikt een richting tegen de klok in met asymmetrisch gevormde bloemblaadjes. Als alternatief hebben bloemen zoals Phlox subulata geen chiraliteit, aangezien deze bloemkroon met vijf bloembladen zijn spiegelbeeld met symmetrisch gevormde bloembladen overlapt. Dit wordt achiraliteit genoemd.

In de op een bloemkroon geïnspireerde 3D-microstructuur zijn vijf halfcilindrische micropilaren radiaal gerangschikt om een ​​natuurlijke bloem na te bootsen die uit vijf bloemblaadjes bestaat. Deze microarray is een achirale structuur vanwege de symmetrisch gevormde halfcilindrische micropilaren. Een belangrijk punt van dit werk is dat deze achiraliteit van de microarray vervolgens dynamisch kan verdwijnen door het draaien van de micropilaren die de symmetrische vorm in een asymmetrische vorm veranderen.

De micropilaren zijn samengesteld uit gemakkelijk vervormbare rubberachtige polydimethylsiloxaan en magnetische ijzerdeeltjes; dus draaien de toppen van de pijlers wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, terwijl de pijlerbases vast blijven zitten aan het substraat van microarrays. Met het begin van draaiende bedieningen, wordt de microarray niet gesuperponeerd met zijn spiegelbeeld.

Bijgevolg verandert de achiraliteit van de microarray in real-time in chiraliteit tegen de klok in of met de klok mee door respectievelijk rechtsom of linksom te draaien. Micropilaren in een array draaien tegelijkertijd met de klok mee, wat resulteert in chiraliteit tegen de klok in. Omgekeerd wordt chiraliteit met de klok mee geleid door micropilaren die tegelijkertijd tegen de klok in draaien.

Onderzoekers in het onderzoek benadrukken een belangrijk aspect van deze techniek, namelijk dat het simpelweg reguleren van de richting van magnetische velden de chiraliteit van de microarrays dynamisch kan omzetten van tegen de klok in in richting met de klok mee en vice versa.

Deze chiraal-selectieve driedimensionale microstructuur heeft mogelijke toepassingen bij de ontwikkeling van optische apparaten. Typisch zijn elektromagnetische lichtgolven circulair gepolariseerd, gescheiden in rechts of links circulair gepolariseerd licht en interageren ze met de chiraliteit van de structuur.

Door deze chiraal-selectieve interactie kan de polarisatierichting van willekeurig licht worden gedetecteerd als licht doordringt in de chirale microarray. Rechts of links circulair gepolariseerd licht zal selectief interageren met de tegen de klok in of met de klok mee chiraliteit van de bloemkroonachtige microarray.