Dreidimensionale Blumenkronen mit chiraler Selektivität nach Bedarf

Forscher der Hanyang University haben kürzlich ein dreidimensionales (3D) Mikroarray mit dynamischer Chiralitätsauswahl entwickelt.

Chiralität ist eine nicht überlagerbare Struktureigenschaft; Beispielsweise sieht die linke Hand in einem Spiegel wie die rechte aus, aber die linke Hand kann nicht von der rechten überlagert werden. Chirale Strukturen wurden im biochemischen Bereich als Teil der Suche nach Arzneimitteln untersucht, die an DNA-Proteine ​​binden. Die künstliche Herstellung von chiralen Strukturen wurde für Funktionalität aus chiraler Selektivität versucht; es ist jedoch schwierig, die Chiralität dynamisch umzuschalten.

Eine von Blütenkronen inspirierte Studie, veröffentlicht in ACS-Nano, ist das erste, das die bedarfsgesteuerte und dynamisch gesteuerte chirale Selektivität einer 3D-Mikrostruktur demonstriert. Die Forscher ließen sich von der Chiralität der Blütenkrone inspirieren, die so oft in der Natur sichtbar ist. Blumen wie die Mandevilla schützen sich durch die Chiralität ihrer fünfblättrigen Krone vor starkem Wind. Diese chirale Krone verwendet eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn mit asymmetrisch geformten Blütenblättern. Alternativ haben Blumen wie Phlox subulata keine Chiralität, da sich diese fünfblättrige Krone mit ihrem Spiegelbild mit symmetrisch geformten Blütenblättern überlagert. Dies wird als Achiralität bezeichnet.

In der von Blumenkronen inspirierten 3D-Mikrostruktur sind fünf halbzylindrische Mikrosäulen radial angeordnet, um eine natürliche Blume nachzuahmen, die aus fünf Blütenblättern besteht. Dieses Mikroarray ist aufgrund seiner symmetrisch geformten halbzylindrischen Mikrosäulen eine achirale Struktur. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist, dass diese Achiralität des Mikroarrays dann dynamisch verschwinden kann, indem die Mikrosäulen verdreht werden, was seine symmetrische Form in eine asymmetrische umwandelt.

Die Mikrosäulen bestehen aus leicht verformbarem gummiartigem Polydimethylsiloxan und magnetischen Eisenpartikeln; daher verdrehen sich die Säulenoberseiten, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, während die Säulenbasen an dem Substrat von Mikroarrays befestigt bleiben. Mit dem Beginn von Drehbetätigungen überlagert sich das Microarray nicht mit seinem Spiegelbild.

Folglich ändert sich die Achiralität des Mikroarrays in Echtzeit zu Chiralität im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn durch Verdrehungsbetätigungen im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn. Mikrosäulen in einem Array verdrehen sich gleichzeitig im Uhrzeigersinn, was zu Chiralität im Gegenuhrzeigersinn führt. Umgekehrt wird die Chiralität im Uhrzeigersinn von Mikrosäulen angeführt, die sich gleichzeitig gegen den Uhrzeigersinn drehen.

Die Forscher in der Studie betonen einen Schlüsselaspekt dieser Technik, da durch die einfache Regulierung der Richtung von Magnetfeldern Chiralitäten der Mikroarrays dynamisch von einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn in eine Richtung im Uhrzeigersinn und umgekehrt umgewandelt werden können.

Diese chiral-selektive dreidimensionale Mikrostruktur hat mögliche Anwendungen in der Entwicklung von optischen Geräten. Typischerweise sind elektromagnetische Lichtwellen zirkular polarisiert, in rechts- oder linkszirkular polarisiertes Licht getrennt und interagieren mit der Chiralität der Struktur.

Durch diese chiral-selektive Wechselwirkung konnte die Polarisationsrichtung von beliebigem Licht detektiert werden, wenn Licht in das chirale Mikroarray eindringt. Rechts- oder linkszirkular polarisiertes Licht interagiert selektiv mit der Chiralität im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn des blütenkronenartigen Mikroarrays.