Structure du supercristal chiral hélicoïdal. Crédit :Université ITMO
Des scientifiques de l'Université ITMO et du Trinity College ont conçu un supercristal nanométrique optiquement actif dont la nouvelle architecture peut séparer les molécules organiques, facilitant ainsi considérablement la technologie de synthèse des médicaments. L'étude a été publiée dans Rapports scientifiques .
La structure du nouveau supercristal est similaire à un escalier hélicoïdal. Le supercristal est composé de nombreux points quantiques en forme de bâtonnets, de minuscules pièces semi-conductrices d'environ plusieurs nanomètres. Surtout, contrairement aux points quantiques individuels, l'assemblée possède la propriété de chiralité. Grâce à cette particularité, de tels supercristaux peuvent trouver une large application en pharmacologie pour identifier des biomolécules chirales.
Un objet est chiral s'il ne peut pas être superposé à son image miroir. L'exemple le plus courant de chiralité est la main humaine. Dans le modèle supercristal, la chiralité peut être visualisée comme deux escaliers en colimaçon avec des points quantiques comme marches :l'un tourne à droite, tandis que l'autre tourne à gauche. Par conséquent, le supercristal est capable d'absorber la lumière polarisée à gauche et d'ignorer la lumière polarisée à droite ou dans l'autre sens selon l'architecture.
Ivan Rukhlenko, responsable du laboratoire Modélisation et Conception des Nanostructures, Remarques, "Comme pour toute nanostructure chirale, la gamme d'applications de nos supercristaux est immense. Par exemple, nous pouvons les utiliser en pharmacologie pour identifier des molécules médicamenteuses chirales. Se rassemblant en spirales autour d'eux, les points quantiques peuvent présenter des propriétés collectives qui améliorent l'absorptivité des molécules des centaines de fois. Ainsi, les molécules peuvent être détectées dans la solution avec beaucoup plus de précision".
La chiralité est inhérente à presque toutes les molécules organiques, y compris les protéines, acides nucléiques et autres substances dans le corps humain. Pour cette raison, deux formes miroirs (énantiomères) d'un même médicament ont une activité biologique différente. Alors qu'une forme peut produire un effet thérapeutique lors de l'interaction avec des molécules chirales dans l'organisme, l'autre forme peut n'avoir aucun effet ou même être toxique. C'est pourquoi la séparation minutieuse des énantiomères pendant la synthèse du médicament est d'une importance vitale.
Absorption de la lumière polarisée circulairement par un supercristal. Crédit :Université ITMO
En plus de la pharmacologie, l'activité optique des supercristaux peut être utilisée dans plusieurs applications techniques où la polarisation de la lumière est requise. La forme de tige de chaque point quantique les fait interagir avec la lumière le long de l'axe longitudinal, c'est pourquoi la position mutuelle des points quantiques a une importance clé pour les propriétés optiques de l'ensemble de la structure. De la même manière, les effets optiques des supercristaux se manifestent le plus fortement lorsque la lumière est répartie le long de l'axe central. Par conséquent, en orientant les supercristaux en solution, les scientifiques peuvent changer l'activité optique du système, de la même manière que cela se fait avec les cristaux liquides.
Soutenu par Trinity College, les scientifiques ont examiné la réponse optique du modèle. Pour étudier le supercristal, les chercheurs ont fait varier un certain nombre de paramètres morphologiques de sa structure. Ils l'ont étiré comme un ressort et ont modifié la distance entre les points quantiques et leur orientation les uns par rapport aux autres.
"Pour la première fois, nous pourrions théoriquement identifier les paramètres du supercristal chiral qui nous permettent d'obtenir un effet optique maximal. Grâce à cette approche, nous avons évité la fabrication de nombreuses copies inutiles aux propriétés imprévisibles, " dit Anvar Baimuratov, auteur principal de l'étude, chercheur associé au Centre des technologies optiques de l'information (IOT) de l'Université ITMO. "Connaître les paramètres de sortie des propriétés optiques, nous pouvons modéliser un supercristal pour résoudre un problème spécifique. Inversement, avoir des données sur la structure supercristalline, nous pouvons prédire avec précision son activité optique."
Sur la base des résultats obtenus par les scientifiques russes, leurs collègues de l'Université de technologie de Dresde prévoient de donner vie au modèle et de synthétiser le supercristal au moyen d'un origami d'ADN. Cette méthode permet d'assembler une structure hélicoïdale à partir de points quantiques par médiation de molécules d'ADN. « L'étude expérimentale de nos supercristaux devrait confirmer leurs propriétés théoriquement prédites et en identifier de nouvelles. Mais le principal avantage de la nouvelle structure semi-conductrice est déjà évident :faire varier sa morphologie dans le processus de synthèse, nous pouvons changer la réponse optique du supercristal dans une large gamme de fréquences, " ajoute Ivan Rukhlenko.
Un certain nombre de technologies actuelles reposent sur l'utilisation de points quantiques uniques. Maintenant, les chercheurs proposent de les rassembler dans des supercristaux. "Assembler des points quantiques en blocs, nous obtenons plus de degrés de liberté pour modifier l'activité optique des solutions supercristallines. Plus la structure est complexe, plus ses propriétés dépendent de la façon dont nous avons assemblé les éléments. L'ajout de complexité à la structure conduira à l'apparition d'un certain nombre de nouveaux matériaux optiques, " conclut Anvar Baimuratov.
