Une équipe de scientifiques de l'Université ITMO et du Trinity College de Dublin a publié les premiers résultats expérimentaux montrant que les nanocristaux ordinaires possèdent une chiralité intrinsèque et peuvent être produits dans des conditions normales sous la forme d'un mélange moitié-moitié d'images miroir les uns des autres. La découverte de cette propriété fondamentale dans les nanocristaux ouvre de nouveaux horizons en nano- et biotechnologie et en médecine, par exemple, dans des applications telles que l'administration ciblée de médicaments. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Lettres nano .

Depuis le développement des nanocristaux artificiels, les scientifiques pensaient que la chiralité - la propriété d'un objet de ne pas être superposable avec son image miroir - était soit aléatoire, soit complètement absente dans les nanocristaux.

Une expérience conjointe menée par des chercheurs du laboratoire Optics of Quantum Nanostructures de l'Université ITMO et du Centre de recherche sur les nanostructures adaptatives et les nanodispositifs (CRANN) du Trinity College a démontré que les nanocristaux standard (points quantiques de séléniure de cadmium et tiges quantiques), En réalité, forment un mélange racémique (50:50) de formes chirales « droite » et « gauche ». Jusqu'à maintenant, les nanocristaux chiraux ne pouvaient être obtenus qu'artificiellement en attachant des molécules de ligand chirales spéciales à la surface des nanocristaux.

La chiralité est intrinsèque à de nombreux objets du monde naturel, à partir des particules élémentaires jusqu'aux galaxies spirales. Notre corps, ainsi que de nombreux autres objets biologiques complexes, est presque entièrement constitué de biomolécules chirales. Surtout, l'activité biologique des formes « droite » et « gauche » du même composé peut différer considérablement. Souvent, une seule forme chirale est comestible ou a l'effet thérapeutique requis, tandis que son antipode sera au mieux inutile. Par exemple, les molécules d'un analgésique bien connu ibuprofène ont deux isomères de miroir optique. L'un d'eux aide en effet à soulager la douleur, tandis que l'autre non seulement ne soulage pas la douleur, mais est toxique pour l'organisme.

Un indicateur clé de l'environnement chiral est appelé activité optique :selon la forme chirale d'un nanocristal, il peut faire tourner le plan de la lumière polarisée soit vers la droite, soit vers la gauche. Une solution normale de nanocristaux par définition ne révèle aucune activité optique, ce qui a toujours été attribué à l'inexistence apparente de la chiralité dans les nanocristaux. Après avoir divisé les formes « gauche » et « droite » des nanocristaux, des scientifiques de l'Université ITMO et du Trinity College ont réussi à prouver le contraire.

"L'absence d'activité optique dans une solution de nanocristaux peut s'expliquer par le fait qu'un mélange racémique (50:50) combine des versions "gauche" et "droite" de nanocristaux qui font simultanément tourner le plan de polarisation dans des directions opposées, s'annulant ainsi, " dit Maria Mukhina, chercheur au laboratoire Optique des Nanostructures Quantiques. «Nous expliquons l'existence même de la chiralité intrinsèque dans les nanocristaux par des défauts chiraux qui se produisent naturellement lors de la synthèse normale des nanocristaux.»

Yurii Gun'ko, professeur au Trinity College et co-directeur du Centre international de recherche et d'enseignement pour la physique des nanostructures à l'Université ITMO commente les applications potentielles de la méthode développée par le groupe :

«Il existe une demande mondiale pour de nouvelles façons d'obtenir des nanoparticules chirales. Nous pensons que notre méthode trouvera des applications en biopharmaceutique, nanobiotechnologie, nanotoxicologie et biomédecine, en particulier pour le diagnostic médical et l'administration ciblée de médicaments. Par exemple, si toutes les nanoparticules couramment utilisées sont bien chirales, puis lors d'une interaction avec un objet biologique, 50 pour cent du mélange de nanoparticules pénétrera dans l'objet biologique (par exemple une cellule), tandis que les 50 pour cent restants resteront à l'extérieur. Les implications de cette conclusion sont cruciales pour le domaine de la nanotoxicologie, mais personne ne les considérait avant. Une autre application potentielle concerne la capacité des points quantiques chiraux à émettre une lumière polarisée lévogyre et dextrogyre, ce qui permet de créer des dispositifs tels que des écrans holographiques 3D et bien plus encore.'

Pour séparer différentes formes chirales de nanocristaux et capturer la manifestation de leur chiralité intrinsèque, les scientifiques ont mis au point une technique qui, selon le groupe, peut être potentiellement étendu et utilisé avec de nombreux autres nanomatériaux inorganiques.

Les chercheurs ont immergé des nanocristaux dans une solution non mélangeable à deux phases d'eau et de solvant organique (chloroforme). Comme les nanocristaux ne sont pas solubles dans l'eau, afin de les transférer de la phase organique à l'eau, les scientifiques ont ajouté de la L-cystéine, une molécule chirale fréquemment utilisée comme ligand pour un tel transfert de phase. La cystéine remplace les ligands hydrophobes à la surface des nanocristaux rendant ces derniers hydrosolubles. Par conséquent, quelle que soit la forme chirale de la cystéine, tous les nanocristaux sans exception finiront dans l'eau. Les chercheurs ont découvert que s'ils refroidissent la solution et interrompent le transfert de phase à un certain point, il est possible de parvenir à une situation, dans lequel l'ensemble de nanocristaux est divisé également entre les phases avec des nanocristaux « gauche » et « droite » dans différentes phases.

L'activité optique des nanocristaux ainsi séparés est préservée même après l'élimination ultérieure de la cystéine de la surface, ce qui témoigne en outre de l'origine naturelle de la chiralité intrinsèque dans les nanocristaux.