การควบคุมระดับการบิดตัวของอนุภาคที่มีโครงสร้างนาโน

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

15 มี.ค. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) “หูกระต่าย” ขนาดไมครอนที่ประกอบขึ้นเองจากอนุภาคนาโน ทำให้เกิดรูปทรงการม้วนผมที่หลากหลายซึ่งสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยมิชิแกนได้แสดง (ธรรมชาติ, “นาโนแอสเซมบลีโบว์ไทแอคทีฟโฟโตนิกส์พร้อมความต่อเนื่องของไคราลิตี”). การพัฒนานี้เปิดทางสำหรับการผลิตวัสดุที่มีปฏิกิริยากับแสงที่บิดเบี้ยวได้อย่างง่ายดาย มอบเครื่องมือใหม่สำหรับวิชันซิสเต็มและการผลิตยา แม้ว่าชีววิทยาจะเต็มไปด้วยโครงสร้างที่บิดเบี้ยวอย่างเช่น DNA หรือที่เรียกว่าโครงสร้างไครัล แต่ระดับของการบิดนั้นถูกล็อกไว้ การพยายามเปลี่ยนแปลงจะทำให้โครงสร้างเสียหาย ตอนนี้นักวิจัยสามารถสร้างระดับการบิดได้ อนุภาคนาโนบิด

สภาพการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน ครอบคลุมตั้งแต่เกลียวซ้ายที่ทำด้วยซิสทีนสำหรับคนถนัดซ้ายเท่านั้นไปจนถึงแพนเค้กแบนที่ทำด้วยส่วนผสม 50-50 ไปจนถึงบิดมือขวาที่ทำด้วยซิสทีนสำหรับมือขวาเท่านั้น ความสามารถในการควบคุมระดับการบิดของวัสดุโครงสร้างนาโนที่โค้งงออาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประโยชน์ในด้านเคมีและวิชันซิสเต็ม (ภาพ: Prashant Kumar, Kotov Lab, University of Michigan) กราฟิกแสดงคลื่นแสงที่เข้าหาหูกระต่ายโลหะที่บิดเป็นเกลียวและถูกหมุนด้วยรูปทรงของหูกระต่าย ความสามารถในการควบคุมระดับการบิดของวัสดุโครงสร้างนาโนที่โค้งงออาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประโยชน์ในด้านเคมีและวิชันซิสเต็ม เครดิตรูปภาพ: Ella Maru Studio กราฟิกแสดงคลื่นแสงที่เข้าใกล้หูกระต่ายโลหะที่บิดเบี้ยวและถูกหมุนด้วยรูปทรงของหูกระต่าย ความสามารถในการควบคุมระดับการบิดของวัสดุโครงสร้างนาโนที่โค้งงออาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประโยชน์ในด้านเคมีและวิชันซิสเต็ม เครดิตรูปภาพ: Ella Maru Studio วัสดุดังกล่าวสามารถช่วยให้หุ่นยนต์นำทางสภาพแวดล้อมของมนุษย์ที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ โครงสร้างที่บิดเบี้ยวจะเข้ารหัสข้อมูลในรูปของคลื่นแสงที่สะท้อนจากพื้นผิว แทนที่จะอยู่ในการจัดเรียงสัญลักษณ์แบบ 2 มิติที่ประกอบด้วยสัญญาณที่มนุษย์อ่านได้ส่วนใหญ่ สิ่งนี้จะใช้ประโยชน์จากแง่มุมของแสงที่มนุษย์แทบสัมผัสไม่ได้ ซึ่งเรียกว่าโพลาไรเซชัน โครงสร้างนาโนที่บิดเบี้ยวจะสะท้อนแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมบางประเภทเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นรูปร่างที่บิดเมื่อเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ Nicholas Kotov ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเคมีของมหาวิทยาลัย Irving Langmuir ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษากล่าวว่า "โดยพื้นฐานแล้วมันเหมือนกับการมองเห็นโพลาไรเซชันในสัตว์จำพวกครัสเตเชียน" “พวกเขารับข้อมูลจำนวนมากแม้ในสภาพแวดล้อมที่มืดสลัว” หุ่นยนต์สามารถอ่านสัญญาณที่ดูเหมือนจุดสีขาวในสายตามนุษย์ได้ ข้อมูลจะถูกเข้ารหัสในการรวมกันของความถี่ที่สะท้อนกลับ ความแน่นของการบิด และการบิดนั้นเป็นคนถนัดซ้ายหรือถนัดขวา

กราฟิกแสดงคลื่นแสงที่เข้าหาหูกระต่ายโลหะที่บิดเบี้ยวและหมุนไปตามรูปทรงของหูกระต่าย ความสามารถในการควบคุมระดับการบิดของวัสดุโครงสร้างนาโนที่โค้งงออาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประโยชน์ในด้านเคมีและวิชันซิสเต็ม (ภาพ: Ella Maru Studio) ด้วยการหลีกเลี่ยงการใช้แสงธรรมชาติและแสงโดยรอบ แทนที่จะใช้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลมที่หุ่นยนต์สร้างขึ้น หุ่นยนต์จึงมีโอกาสน้อยที่จะพลาดหรือตีความคิวผิด ไม่ว่าจะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่สว่างหรือมืด วัสดุที่สามารถเลือกสะท้อนแสงที่บิดเบี้ยวหรือที่เรียกว่าวัสดุ chiral metamaterials มักจะทำได้ยาก แต่เนคไทหูกระต่ายไม่ใช่ “ก่อนหน้านี้ metasurfaces chiral ได้รับความยากลำบากอย่างมากโดยใช้อุปกรณ์มูลค่าหลายล้านดอลลาร์ ตอนนี้ พื้นผิวที่ซับซ้อนเหล่านี้พร้อมการใช้งานที่น่าสนใจหลายอย่างสามารถพิมพ์ได้เหมือนภาพถ่าย” Kotov กล่าว โครงสร้างนาโนที่บิดเบี้ยวอาจช่วยสร้างสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตยาไครัล ซึ่งเป็นความท้าทายในการผลิตด้วยการบิดโมเลกุลที่ถูกต้อง “สิ่งที่ไม่เคยเห็นในระบบ chiral มาก่อนคือเราสามารถควบคุมการบิดจากโครงสร้างทางซ้ายที่บิดจนสุดไปจนถึงแพนเค้กแบนไปจนถึงโครงสร้างทางขวาที่บิดจนสุด เราเรียกสิ่งนี้ว่าความต่อเนื่องของ chirality” Prashant Kumar นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ UM สาขาวิศวกรรมเคมีและผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าว Kumar ทดสอบหูกระต่ายในลักษณะของสี โดยผสมกับกรดโพลีอะคริลิกแล้วแต้มลงบนแก้ว ผ้า พลาสติก และวัสดุอื่นๆ การทดลองกับเลเซอร์แสดงให้เห็นว่าสีนี้สะท้อนแสงที่บิดเบี้ยวได้ก็ต่อเมื่อการบิดของแสงตรงกับการบิดในรูปของหูกระต่าย

หูกระต่ายขนาดไมครอนที่มีกระดาษห่อขนมบิดเป็นเกลียวในภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบปรับสี ความสามารถในการควบคุมระดับการบิดของวัสดุโครงสร้างนาโนที่โค้งงออาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประโยชน์ในด้านเคมีและวิชันซิสเต็ม (ภาพ: Prashant Kumar, Kotov Lab, University of Michigan) หูกระต่ายทำโดยการผสมโลหะแคดเมียมกับซีสทีน ซึ่งเป็นชิ้นส่วนโปรตีนที่มีทั้งแบบคนถนัดซ้ายและขวา ในน้ำที่ผสมน้ำด่าง ถ้าซิสทีนเป็นคนถนัดซ้ายทั้งหมด โบว์สำหรับคนถนัดซ้ายจะเกิดขึ้น และซิสทีนที่ถนัดขวาจะได้โบว์สำหรับคนถนัดขวา—แต่ละอันจะมีห่อขนมบิดเป็นเกลียว แต่ด้วยอัตราส่วนที่แตกต่างกันของซิสทีนสำหรับคนถนัดซ้ายและขวา ทีมงานจึงทำการบิดตรงกลาง รวมถึงแพนเค้กแบนด้วยอัตราส่วน 50-50 ระยะห่างของโบว์ไทด์ที่แน่นที่สุด โดยพื้นฐานแล้วเท่ากับความยาวของการหมุน 360 องศา จะมีความยาวประมาณ 4 ไมครอน ซึ่งอยู่ภายในช่วงความยาวคลื่นของแสงอินฟราเรด “ไม่เพียงแค่เรารู้ความก้าวหน้าตั้งแต่ระดับอะตอมไปจนถึงระดับไมครอนของสายธนู เรายังมีทฤษฎีและการทดลองที่แสดงให้เราเห็นถึงแรงชี้นำ ด้วยความเข้าใจพื้นฐานนั้น คุณสามารถออกแบบอนุภาคอื่นๆ ได้อีกมากมาย” Thi Vo อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ UM สาขาวิศวกรรมเคมีกล่าว เขาทำงานร่วมกับ Sharon Glotzer ผู้เขียนร่วมของการศึกษาและ Anthony C. Lembke Department Chief of Chemical Engineering ที่ UM ตรงกันข้ามกับโครงสร้างนาโน chiral อื่นๆ ซึ่งอาจใช้เวลาหลายวันในการประกอบตัวเอง โบว์ผูกขึ้นในเวลาเพียง 90 วินาที ทีมงานได้ผลิตโบว์ไทด์รูปทรงต่างๆ กว่า 5,000 แบบ พวกเขาศึกษารูปร่างในรายละเอียดของอะตอมโดยใช้รังสีเอกซ์ที่ Argonne National Laboratory ก่อนการวิเคราะห์แบบจำลอง