Voor het eerst controle over de mate van verdraaiing in nanogestructureerde deeltjes

Micron-sized “vlinderdassen”, zelf samengesteld uit nanodeeltjes, vormen een verscheidenheid aan verschillende krulvormen die nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd, heeft een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Michigan aangetoond.

De ontwikkeling maakt de weg vrij voor het eenvoudig produceren van materialen die interageren met verwrongen licht, waardoor nieuwe hulpmiddelen worden geboden voor machinevisie en het produceren van medicijnen.

Terwijl de biologie vol zit met verwrongen structuren zoals DNA, bekend als chirale structuren, is de mate van verdraaiing opgesloten – als je probeert het te veranderen, wordt de structuur verbroken. Nu kunnen onderzoekers de mate van verdraaiing bepalen.

Dergelijke materialen kunnen robots in staat stellen nauwkeurig door complexe menselijke omgevingen te navigeren. Gedraaide structuren zouden informatie coderen in de vorm van de lichtgolven die weerkaatsen vanaf het oppervlak, in plaats van in de 2D-rangschikking van symbolen die de meeste door mensen gelezen tekens omvat. Dit zou profiteren van een aspect van licht dat mensen nauwelijks kunnen waarnemen, bekend als polarisatie. De gedraaide nanostructuren reflecteren bij voorkeur bepaalde soorten circulair gepolariseerd licht, een vorm die draait terwijl het door de ruimte beweegt.

“Het is eigenlijk zoals polarisatievisie bij schaaldieren”, zegt Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering, die de studie leidde. “Ze pikken veel informatie op ondanks duistere omgevingen.”

Robots konden tekens lezen die voor menselijke ogen op witte stippen lijken; de informatie zou worden gecodeerd in de combinatie van gereflecteerde frequenties, de strakheid van de twist en of de twist links- of rechtshandig was.

Door het gebruik van natuurlijk en omgevingslicht te vermijden en in plaats daarvan te vertrouwen op circulair gepolariseerd licht dat door de robot wordt gegenereerd, is de kans kleiner dat robots een signaal missen of verkeerd interpreteren, zowel in heldere als in donkere omgevingen. Materialen die selectief gedraaid licht kunnen weerkaatsen, ook wel chirale metamaterialen genoemd, zijn meestal moeilijk te maken, maar de strikjes zijn dat niet.

“Eerder zijn chirale metasurfaces met grote moeite gemaakt met behulp van apparatuur van miljoenen dollars. Nu kunnen deze complexe oppervlakken met meerdere aantrekkelijke toepassingen worden afgedrukt als een foto, ” zei Kotov.

Gedraaide nanostructuren kunnen ook helpen om de juiste omstandigheden te creëren om chirale medicijnen te produceren, die moeilijk te vervaardigen zijn met de juiste moleculaire twist.

“Wat nog niet eerder in chirale systemen is gezien, is dat we de twist kunnen regelen van een volledig gedraaide linkshandige structuur naar een platte pannenkoek tot een volledig gedraaide rechtshandige structuur. We noemen dit een chiraliteitscontinuüm, ” zei Prashant Kumar, een UM-postdoctoraal onderzoeker in chemische technologie en eerste auteur van de studie in Natuur.

Kumar testte de strikjes als een soort verf, mengde ze met polyacrylzuur en depte ze op glas, stof, plastic en andere materialen. Experimenten met lasers toonden aan dat deze verf verwrongen licht alleen weerkaatste als de draaiing in het licht overeenkwam met de draaiing in de vlinderdasvorm.

De vlinderdassen worden gemaakt door cadmiummetaal en cystine, een eiwitfragment dat in links- en rechtshandige versies voorkomt, te mengen in water waaraan loog is toegevoegd. Als de cystine helemaal linkshandig was, werden er linkshandige vlinderdassen gevormd en rechtshandige cystine rechtshandige vlinderdassen – elk met een snoeppapiertje.

Maar met verschillende verhoudingen van links- en rechtshandige cystine, maakte het team tussenliggende wendingen, inclusief de platte pannenkoek in een verhouding van 50-50. De spoed van de strakste vlinderdassen, in feite de lengte van een draai van 360 graden, is ongeveer 4 micron lang – binnen het golflengtebereik van infrarood licht.

“We kennen niet alleen de voortgang van de atomaire schaal helemaal tot aan de micronschaal van de vlinderdas, we hebben ook theorie en experimenten die ons de leidende krachten laten zien. Met dat fundamentele begrip kun je een heleboel andere deeltjes”, zegt Thi Vo, een voormalig UM-postdoctoraal onderzoeker in chemische technologie.

Hij werkte samen met Sharon Glotzer, co-corresponderende auteur van de studie en de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering aan de UM.

In tegenstelling tot andere chirale nanostructuren, die dagen nodig hebben om zichzelf in elkaar te zetten, werden de strikjes in slechts 90 seconden gevormd. Het team produceerde 5.000 verschillende vormen binnen het vlinderdasspectrum. Ze bestudeerden de vormen in atomair detail met behulp van röntgenstralen in het Argonne National Laboratory voorafgaand aan de simulatieanalyse.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.