Сегодня достижения в области технологий позволяют химикам исследовать программируемый контроль спиральности хиральных супрамолекулярных полимеров с помощью манипуляций на молекулярном уровне, переключения хиральности в зависимости от стимулов и т.д. В отличие от стабильных кристаллов тартрата натрия-аммония субмиллиметрового масштаба, хиральные супрамолекулярные полимеры представляют собой мягкие материалы с динамической структурой, и их размер варьируется от нанометрового масштаба до нескольких микрон. Более того, хиральные супрамолекулярные полимеры неравномерно присутствуют в растворе из-за неконтролируемой диффузии. Их распределение может быть еще более случайным и сложным, особенно когда имеешь дело со смесью супрамолекулярных частиц в многокомпонентных самосборках. Поэтому ручная сегрегация таких хиральных супрамолекулярных полимеров труднодостижима и практически невозможна.

Теперь команда, возглавляемая директором КИМ Кимуном из Центра самосборки и сложности при Институте фундаментальных наук в Поханге, Южная Корея, успешно продемонстрировала, что слышимый звук может быть использован для пространственно-временного разделения супрамолекулярных полимеров, которые отличаются по своей хиральности, в отдельных доменах внутри одного и того же раствора.

Доктор Шован Кумар СЕН, первый автор этого исследования, очень взволнован этим событием. Он сказал: "Окислительно-восстановительные хиральные переключатели хорошо изучены в литературе, но не все системы ведут себя так, как мы ожидаем, в присутствии слышимого звука. Разработка наиболее подходящей системы для демонстрации нашей идеи, которая была начата с нашей предыдущей работы, опубликованной в Природная химия (в 2020 году), был одним из наиболее важных этапов этого исследования".

Для достижения этих результатов исследователи использовали неравновесные окислительно-восстановительные супрамолекулярные системы, которые образуют супрамолекулярные полимеры противоположной хиральности в их окисленном и восстановленном состояниях. Кроме того, используя слышимый звук (40 Гц), исследователи смогли выделить супрамолекулярные полимеры противоположной спиральности посредством формирования пространственно-временного рисунка.

Слышимый звук вызывает колебания поверхности и адвекционные токи внутри объемного раствора, помещенного в чашку Петри. Это приводит к более быстрому растворению атмосферного кислорода в концентрических кольцеобразных доменах, которые расположены в антинодальных (максимально вибрирующих) областях поверхностных волн, что приводит к накоплению окисленных полимерных нитей в этих областях. Вышеупомянутые кольца разделены другим набором концентрических доменов, которые расположены в узловых (минимально вибрирующих) областях поверхностных волн и содержат противоположно хиральную восстановленную форму хирального супрамолекулярного полимера.

Исследователи разработали окислительно-восстановительную ахиральную систему на основе молекулы перилендиимида, функционализированной четвертичными аминогруппами (PDI). Затем они исследовали совместную сборку PDI с отрицательно заряженным (при щелочном рН) желатором на основе фенилаланина (LPF), использующим электростатические взаимодействия. Совместно собранные агрегаты PDI-LPF привели к образованию левосторонних спиральных супрамолекулярных агрегатов (M- спираль). Интересно, что когда дитионит натрия (SDT) добавляли в качестве восстановителя к совместной сборке PDI-LPF, супрамолекулярные агрегаты с противоположной спиралью (P-спираль) образовались в результате образования PDI^2-- Агрегаты LPF. Противоположно хиральные иерархические структуры (спиральные нановолокна) были обнаружены в результате исследований электронной микроскопии, которые дополнительно подтвердили инверсию спиральности.

Доктор Рахул Дев МУКХОПАДХЬЯЙ, который руководил этим исследованием, считает, что этот подход, основанный на звуке, может принести больше пользы. Он высказал мнение: "На данный момент мы можем достичь только временно контролируемой сегрегации двух противоположно хиральных супрамолекулярных полимеров в растворе. Будет очень интересно и сложно добиться постоянной сегрегации таких противоположно спиральных динамических супрамолекулярных полимеров".

Команда также исследовала хиральную совместную сборку между PDI и аденозинтрифосфатом (АТФ). Интересно, что хиральная совместная сборка распадалась при восстановлении с образованием ахирального PDI^2-, высвобождая АТФ обратно в раствор. Когда восстановленный раствор совместной сборки PDI-ATP подвергался воздействию атмосферного кислорода в присутствии слышимого звука на определенной частоте (40 Гц), раствор постепенно преобразовывался в пространственно-временную структуру, состоящую из сегрегированных доменов, соответствующих ахиральному PDI^2- агрегаты и хиральные агрегаты PDI-ATP.

Профессор КИМ Кимун, который отвечал за общее руководство исследованием, твердо убежден, что настоящая стратегия предоставляет исследователям в области системной химии новый инструмент для управления супрамолекулярными системами. В настоящее время этот подход помогает нам разделять только два типа полимеров в одном и том же растворе. В будущем проф. Ким надеется, что у нас будет возможность управлять несколькими агрегатами с помощью слышимого звука. Он быстро добавил: "Всегда помните, что сказал Пастер: случай благоприятствует подготовленному уму".