Ученые Университета Нагои (Япония) создали графеновую наноленту, которая может переключаться между правым и левым направлением закручивания. Для этого достаточно изменить окружающий ее растворитель. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Графеновые наноленты представляют собой очень тонкие структуры из соединенных углеродных колец. Если такая структура имеет спиральную форму, она приобретает хиральность — свойство существовать в двух зеркальных вариантах, которые условно можно назвать правым и левым. До сих пор не было графеновой наноленты, способной переключаться между этими состояниями по требованию. Исследователям удалось решить эту задачу с помощью необычного строительного блока — [4]гелицена (тетрагелицена), состоящего из четырех соединенных колец.
Проблема с [4]гелиценом заключается в его нестабильности. Отдельные молекулы слишком быстро меняют направление закручивания и поэтому не могут долго сохранять определенную хиральность. Химики объединили множество таких нестабильных элементов в длинную цепочку. После соединения соседние элементы начали влиять друг на друга: их закручивание стало синхронизироваться, и большие участки наноленты приобрели одинаковое направление спирали.
После испытаний материала в хиральной жидкости из шести вариантов подходящим оказался бета-пинен — природное соединение, которое встречается, в частности, в соснах и кожуре цитрусовых. Существуют две зеркальные формы молекул бета-пинена. Каждая из них заставляла наноленту закручиваться в противоположную сторону. При этом менялось и направление круговой поляризации люминесценции материала — особого свойства света, которое зависит от хиральности молекулы.
Переключение оказалось очень выраженным: почти все элементы наноленты выстраивались в одном направлении. Наиболее сильный эффект наблюдали при температуре минус 90 °C. При приближении к комнатной температуре он становился слабее. Прежде [4]гелицен считался слишком нестабильным для создания хиральных материалов. Однако объединение большого количества таких элементов в одну механически связанную структуру позволило использовать эту нестабильность как преимущество.
Механизм можно сравнить с цепной реакцией. Воздействие хирального растворителя на отдельную молекулу очень слабое, но связанная структура наноленты усиливает этот сигнал. В результате материал почти полностью переходит в одно из двух возможных спиральных состояний.
Однако до практического внедрения еще далеко. Сейчас нанолента сохраняет заданное направление закручивания только в присутствии хирального растворителя. После его удаления структура возвращается к смешанному и нестабильному состоянию. Следующей задачей ученые называют создание своеобразной «хиральной памяти» — материала, который сможет сохранить выбранное направление закручивания даже после удаления растворителя.
Также мы выпускали материал о том, как хиральность формирует нашу Вселенную.