Chemiker entwickeln neue Methode zur Herstellung chiraler Strukturen

Manche Moleküle existieren in zwei Formen, so dass ihre Strukturen und Spiegelbilder nicht überlagerbar sind, wie zum Beispiel unsere linke und rechte Hand. Diese Eigenschaft wird Chiralität genannt und ist eine Eigenschaft, die diese Moleküle aufgrund ihrer Asymmetrie besitzen. Chirale Moleküle neigen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Licht dazu, optisch aktiv zu sein. Oftmals gibt es in der Natur nur eine Form eines chiralen Moleküls, beispielsweise DNA. Wenn ein chirales Molekül als Medikament gut funktioniert, könnte sein Spiegelbild interessanterweise für die Therapie unwirksam sein.

Bei dem Versuch, im Labor künstliche Chiralität zu erzeugen, hat ein Team unter der Leitung von Chemikern der University of California in Riverside herausgefunden, dass die Verteilung eines Magnetfelds selbst chiral ist.

„Wir haben herausgefunden, dass die magnetischen Feldlinien, die von jedem Magneten, einschließlich eines Stabmagneten, erzeugt werden, Chiralität aufweisen“, sagte Yadong Yin, Professor für Chemie, der das Team leitete. „Darüber hinaus konnten wir die chirale Verteilung des Magnetfelds auch nutzen, um Nanopartikel dazu zu bringen, chirale Strukturen zu bilden.“

Traditionell haben Forscher „Template“ verwendet, um ein chirales Molekül zu erzeugen. Als Vorlage dient zunächst ein chirales Molekül. Auf dieser Vorlage werden dann achirale (oder nicht-chirale) Nanopartikel zusammengesetzt, sodass sie die Struktur des chiralen Moleküls nachahmen können. Der Nachteil dieser Technik besteht darin, dass sie nicht universell anwendbar ist und stark von der spezifischen Zusammensetzung des Templatmoleküls abhängt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die neu gebildete chirale Struktur nicht einfach an einer bestimmten Stelle, beispielsweise auf einem elektronischen Gerät, positioniert werden kann.

„Aber um einen optischen Effekt zu erzielen, muss ein chirales Molekül eine bestimmte Stelle auf dem Gerät einnehmen“, sagte Yin. „Unsere Technik überwindet diese Nachteile. Wir sind in der Lage, schnell chirale Strukturen zu bilden, indem wir Materialien beliebiger chemischer Zusammensetzung in Größenordnungen von Molekülen bis hin zu Nano- und Mikrostrukturen magnetisch anordnen.“

Yin erklärte, dass die Methode seines Teams Permanentmagnete verwendet, die sich ständig im Raum drehen, um die Chiralität zu erzeugen. Er sagte, dass die Übertragung der Chiralität auf achirale Moleküle durch Dotierung erfolgt, also durch den Einbau von Gastspezies wie Metallen, Polymeren, Halbleitern und Farbstoffen in die magnetischen Nanopartikel, die zur Induktion der Chiralität verwendet werden.

Studienergebnisse erscheinen heute in der Fachzeitschrift Science.

Laut Yin erhalten chirale Materialien einen optischen Effekt, wenn sie mit polarisiertem Licht interagieren. Bei polarisiertem Licht schwingen die Lichtwellen in einer Ebene, wodurch die Gesamtintensität des Lichts verringert wird. Das hat zur Folge, dass polarisierte Gläser in Sonnenbrillen die Blendung unserer Augen reduzieren, nicht polarisierte Gläser hingegen nicht.

„Wenn wir das Magnetfeld ändern, das die chirale Struktur eines Materials erzeugt, können wir die Chiralität ändern, wodurch dann verschiedene Farben entstehen, die durch die polarisierten Linsen beobachtet werden können“, sagte Yin. „Dieser Farbwechsel erfolgt augenblicklich. Mit unserer Methode kann die Chiralität auch sofort verschwinden, was eine schnelle Abstimmung der Chiralität ermöglicht.“

Die Ergebnisse könnten in der Fälschungsschutztechnologie Anwendung finden. Ein chirales Muster, das die Echtheit eines Objekts oder Dokuments anzeigt, wäre für das bloße Auge unsichtbar, aber durch polarisierte Brillengläser sichtbar. Weitere Anwendungen der Erkenntnisse liegen in der Sensorik und im Bereich der Optoelektronik.

„Durch die Abstimmbarkeit der Chiralität, die unsere Methode ermöglicht, können anspruchsvollere optoelektronische Geräte hergestellt werden“, sagte Zhiwei Li, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Doktorand in Yins Labor. „Was die Sensorik betrifft, kann unsere Methode verwendet werden, um chirale oder achirale Moleküle, die mit bestimmten Krankheiten wie Krebs und Virusinfektionen in Zusammenhang stehen, schnell zu erkennen.“

Yin und Li wurden bei der Forschung von einem Team von Doktoranden in Yins Labor unterstützt, darunter Qingsong Fan, Zuyang Ye, Chaolumen Wu und Zhongxiang Wang. Li ist jetzt Postdoktorand an der Northwestern University in Illinois.

Die Forschung wurde durch ein Stipendium der National Science Foundation an Yin finanziert. Das UCR Office of Technology Partnerships hat einen Patentantrag für diese Arbeit eingereicht.

Die Forschungsarbeit trägt den Titel „Ein magnetischer Aufbauansatz für chirale Überstrukturen“.

Bildunterschrift in der Kopfzeile: Die Fotos zeigen die leuchtenden Farben, die eine Dispersion magnetischer Nanopartikel zeigt, wenn sie Magnetfeldern mit unterschiedlichen chiralen Verteilungen ausgesetzt werden, wie durch polarisierte Linsen beobachtet. (UCR/Yin-Labor)