Природа богата примерами хиральности - ДНК, органические молекулы и даже человеческие руки. В общем, хиральность можно увидеть в объектах, которые могут иметь более одного пространственного расположения. Например, по словам исследователей, хиральность в молекулах может проявляться в виде двух цепочек атомов, которые имеют одинаковый состав, но каждый из которых имеет "поворот" влево или вправо в своей пространственной ориентации.

Новое исследование, проведенное под руководством Цянь Чена, профессора материаловедения и инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, и Николаса А. Котова, профессора химической инженерии в Мичиганском университете, расширяет хиральность до решеток, собранных из строительных блоков наночастиц, для создания новых метаматериалов - материалов, предназначенных для взаимодействия с их окружение для выполнения определенных функций.

Исследование опубликовано в журнале Природа.

Попытки создать крупномасштабные киральные решетки из спонтанной сборки наночастиц увенчались ограниченным успехом. Чен сказал, что предыдущие исследования основывались на шаблонах, которые создавали очень маленькие структуры, ограничивая их полезность при проектировании метаматериалов.

"В новом исследовании мы были вдохновлены характеристиками пористых материалов, нарушающими симметрию, для сборки реконфигурируемых решеток из наночастиц пирамидальной формы размером менее 100 нанометров", - сказал бывший аспирант из Иллинойса Шан Чжоу, ведущий автор работы и в настоящее время профессор Горно-технологической школы Южной Дакоты. "Получившаяся решетка достаточно велика, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом".

Чен сказал, что предыдущие модели не предсказывали вертящуюся решетку с хиральностью.

В этом исследовании предсказания, основанные на теории графов и расчетах, разработанных Котовым и мичиганскими постдокторантами Джу Лу и Джи Ен Ким, предсказали - к их удивлению - что структура решетки вертушки, хотя и ахиральная по своей природе, становится хиральной на подложке.

"Новая структура решетки интересна с точки зрения исследований, поскольку она открывает множество новых многогранных возможностей для изучения их свойств", - сказал Котов.

Метод жидкофазной электронной микроскопии Чен, который, по ее словам, сродни "крошечному аквариуму для наблюдения за самосборкой наночастиц", сыграл важную роль в этом исследовании.

Однако, по словам исследователей, создание этой структуры произошло не случайно.

"Количественные модели оказались хорошо согласованными с динамическим процессом сборки, наблюдаемым в наноакварии жидкофазного электронного микроскопа", - сказал Цзяхуй Ли, аспирант из Иллинойса и соавтор исследования.

"Жидкофазная электронная микроскопия позволила нам продвинуть сборку сверхрешеток еще дальше", - сказал Чен.

"Поскольку мы можем наблюдать взаимодействия наночастиц и манипулировать ими в режиме реального времени, мы можем точно настроить их движения, чтобы сформировать очень сложную конструкцию вертушки", - сказал Ли.

В дополнение к методам жидкофазной электронной микроскопии сверхбыстрый электронный микроскоп в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США позволил получить уникальное представление об оптических свойствах самосборных сверхрешеток в нанометровом масштабе.

"Никто не смог непосредственно увидеть хиральные реакции объектов на такой малой длине, используя другие методы", - сказал Хайхуа Лю, исследователь из Центра наноразмерных материалов Аргонна.

Команда предполагает, что эта платформа визуализации будет использоваться для характеристики широкого спектра наночастиц и самосборных структур.

"Как теоретик, работающий во всех областях наночастиц, я всегда интересовался тем, как собрать хиральные структуры наночастиц", - сказал Алекс Травессет, профессор Университета штата Айова, который выполнил геометрические расчеты для решетки вертушки. "Интересное поведение вертушечной решетки может выходить за рамки их хироптических реакций".

Кай Сун, профессор из Мичигана и соавтор исследования, сказал, что решетки с вертушками могут перенастраивать свои структуры, что потенциально полезно, например, при проектировании боевых шлемов и самолетов.

Исследователи также предполагают использовать эту новую стратегию для создания других хиральных метапокрытий на основе существующей библиотеки синтетически доступных наночастиц, и что это позволит создать богатое дизайнерское пространство метаструктурированных поверхностей с хироптической активностью и механическими свойствами.

"Мы считаем, что этот метод хиральной сборки на основе подложки может принести пользу всему сообществу исследователей наноматериалов", - сказал Котов.

Чен также связан с лабораторией исследования материалов, химии, химической и биомолекулярной инженерии, Институтом геномной биологии имени Карла Р. Везе и Институтом передовых наук и технологий Бекмана при Университете Калифорнии.

Управление военно-морских исследований поддерживает это исследование в рамках междисциплинарной университетской исследовательской инициативы.