Un team di scienziati dell'Università ITMO e del Trinity College di Dublino ha pubblicato i primi risultati sperimentali che mostrano che i normali nanocristalli possiedono una chiralità intrinseca e possono essere prodotti in condizioni normali come una metà e metà di immagini speculari l'una dell'altra. La scoperta di questa proprietà fondamentale nei nanocristalli apre nuovi orizzonti nelle nano e biotecnologie e nella medicina, ad esempio, in applicazioni come la somministrazione mirata di farmaci. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Nano lettere .

Fin dallo sviluppo dei nanocristalli artificiali, gli scienziati pensavano che la chiralità - la proprietà di un oggetto di non essere sovrapponibile con la sua immagine speculare - fosse casuale o completamente assente nei nanocristalli.

Un esperimento congiunto condotto dai ricercatori del laboratorio Optics of Quantum Nanostructures dell'ITMO University e del Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices (CRANN) del Trinity College ha dimostrato che i nanocristalli standard (punti quantici di seleniuro di cadmio e barre quantiche), infatti, costituiscono una miscela racemica (50:50) di forme chirali "destra" e "sinistra". Fino ad ora, i nanocristalli chirali potrebbero essere ottenuti solo artificialmente attaccando speciali molecole di ligandi chirali alla superficie dei nanocristalli.

La chiralità è intrinseca a molti oggetti del mondo naturale, partendo dalle particelle elementari alle galassie a spirale. Il nostro corpo, così come molti altri oggetti biologici complessi, è quasi interamente costituito da biomolecole chirali. È importante sottolineare che l'attività biologica delle forme "destra" e "sinistra" dello stesso composto potrebbe differire notevolmente. Spesso solo una forma chirale è commestibile o ha l'effetto terapeutico richiesto, mentre il suo antipode sarà nella migliore delle ipotesi inutile. Per esempio, le molecole di un noto antidolorifico ibuprofene hanno due isomeri dello specchio ottico. Uno di loro aiuta davvero ad alleviare il dolore, mentre l'altro non solo non allevia il dolore, ma è tossico per l'organismo.

Un indicatore chiave dell'ambiente chirale è chiamato attività ottica:a seconda della forma chirale di un nanocristallo, può ruotare il piano della luce polarizzata sia a destra che a sinistra. Una normale soluzione di nanocristalli per definizione non rivela alcuna attività ottica, che è sempre stato attribuito all'apparente inesistenza della chiralità nei nanocristalli. Avendo diviso le forme "sinistra" e "destra" dei nanocristalli, scienziati dell'ITMO University e del Trinity College sono riusciti a dimostrare il contrario.

"L'assenza di attività ottica in una soluzione di nanocristalli può essere spiegata dal fatto che una miscela racemica (50:50) combina le versioni "sinistra" e "destra" dei nanocristalli che ruotano simultaneamente il piano di polarizzazione in direzioni opposte, annullandosi così a vicenda, ' dice Maria Mukhina, ricercatore presso il laboratorio di Ottica delle Nanostrutture Quantistiche. "Spieghiamo l'esistenza stessa della chiralità intrinseca nei nanocristalli mediante difetti chirali che si verificano naturalmente durante la normale sintesi dei nanocristalli."

Yurii Gun'ko, professore al Trinity College e co-direttore dell'International Research and Education Center for Physics of Nanostructures presso ITMO University commenta le potenziali applicazioni del metodo sviluppato dal gruppo:

'C'è una domanda globale di nuovi modi per ottenere nanoparticelle chirali. Crediamo che il nostro metodo troverà applicazioni in biofarmaceutica, nanobiotecnologie, nanotossicologia e biomedicina, in particolare per la diagnostica medica e la somministrazione mirata di farmaci. Per esempio, se tutte le nanoparticelle comunemente usate sono davvero chirali, poi durante l'interazione con un oggetto biologico, Il 50 percento della miscela di nanoparticelle penetrerà nell'oggetto biologico (ad es. cellula), mentre il restante 50 per cento resterà fuori. Le implicazioni di questa conclusione sono cruciali per l'area della nanotossicologia, ma nessuno li considerava prima. Un'altra potenziale applicazione ha a che fare con la capacità dei punti quantici chirali di emettere luce polarizzata levogira e destrogira, che rende possibile creare dispositivi come display olografici 3D e molto altro.'

Per separare le diverse forme chirali dei nanocristalli e catturare la manifestazione della loro intrinseca chiralità, gli scienziati hanno escogitato una tecnica che, secondo il gruppo, può essere potenzialmente ampliato e utilizzato con molti altri nanomateriali inorganici.

I ricercatori hanno immerso i nanocristalli in una soluzione non miscelabile a due fasi di acqua e solvente organico (cloroformio). Poiché i nanocristalli non sono solubili in acqua, per trasferirli dalla fase organica all'acqua, gli scienziati hanno aggiunto L-cisteina, una molecola chirale frequentemente usata come legante per tale trasferimento di fase. La cisteina sostituisce i ligandi idrofobici sulla superficie dei nanocristalli rendendo questi ultimi solubili in acqua. Di conseguenza, indipendentemente dalla forma chirale della cisteina, tutti i nanocristalli senza eccezione finiranno nell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che se raffreddano la soluzione e interrompono il trasferimento di fase a un certo punto, è possibile realizzare una situazione, in cui l'insieme di nanocristalli è diviso equamente tra le fasi con nanocristalli "sinistra" e "destra" in fasi diverse.

L'attività ottica nei nanocristalli così separati viene preservata anche dopo la successiva rimozione della cisteina dalla superficie, che testimonia inoltre l'origine naturale della chiralità intrinseca nei nanocristalli.