Helikalne nanokompozyty

Dodaj linki
Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Helikane nanokompozyty – materiały helikalne składające się z dwóch lub więcej elementów o różnych właściwościach, z których co najmniej jeden występuje w skali nanometrycznej (ma przynajmniej jeden wymiar z zakresu od 1 do 100 nm)[1]. Analogicznie do konwencjonalnych kompozytów, właściwości tego typu materiałów nie stanowią ani sumy, ani średniej właściwości poszczególnych składników. Współwystępowanie tychże elementów nadaje im unikalne właściwości niecharakterystyczne dla żadnego występującego samodzielnie. Szczególnie interesująca z punktu widzenia aplikacyjności tego typu materiałów jest potencjalna chiralność[2].

Wytwarzanie i zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Uzyskanie nanokompozytów o helikalnej geometrii jest bardzo ważne ze względu na ich doskonałą stabilność strukturalną i inherentne zjawisko chiralności[3]. Fenomen przełomu XX i XXI wieku stanowią spiralne układy nanocząstek plazmonicznych, które łączą geometrię helikalną z unikalnymi właściwościami nanometali. Wynika on z ich potencjalnego zastosowania w przechowywaniu informacji[4], biodetekcji[5], chiralnej plazmoniki[6], optomechaniki[7] i uzyskiwania metamateriałów[8]. Co więcej, helikalne układy nanokryształów półprzewodnikowych umożliwiają preferencyjną emisję jednej ze skrętności światła kołowo spolaryzowanego[9]. Zastosowania te wymagają nie tylko precyzyjnej architektury nanokompozytów, ale także ich przestrajalności.

Wykazano, że najbardziej wydajne są metody samoorganiazacji bottom-up. Tego typu helikalne struktury nanocząstek przygotowano w oparciu o matryce[10], mieszanie wirowe[11], za pomocą chiralnych ligandów[12], światła kołowo spolaryzowanego[13] i pola magnetycznego[14]. Te techniki przygotowawcze zapewniły dostęp do helikalnych nanostruktur o precyzyjnie kontrolowanej strukturze.

Możliwość sterowania nie tylko budową, ale też właściwościami helikalnych nanokompozytów pierwotnie uzyskano poprzez zastosowanie tzw. DNA-origami[15]. Ta metodologia pozwala na dynamiczną kontrolę orientacji helis, co przekłada się na przełączalną odpowiedź optyczną systemu. Najbardziej wydajną i uniwersalną poznaną dotychczas metodą uzyskiwania dynamicznie przełączalnych układów helikalnych jest wykorzystanie termotropowych ciekłych kryształów[1][2]. Związki mezogeniczne które generują helikalne nanofilamenty[16], są najczęściej tworzone przez achiralne molekuły o wygiętym rdzeniu (tzw. bananowe).

Przykładowa procedura uzyskiwania helikalnych nanokompozytów o przełączalnych właściwościach[17][edytuj | edytuj kod]

Uzyskanie helikalnych nanokompozytów plazmonicznych jest możliwe dzięki spełnieniu warunku chemicznej kompatybilności nanocząstek do matrycy. Ligandy stabilizujące nanocząstki powinny być strukturalnie podobne do struktury matrycy, tak, by mogły z nią swobodnie oddziaływać.

Procedura polega na wymieszaniu roztworów matrycy i nanocząstek w odpowiednich stosunkach (zależnych od stosowanych związków chemicznych), a następnie stworzeniu cienkiej warstwy z takiego kompozytu poprzez nakroplenie mieszanki na podłoże. W celu zapewnienia integralności nanocząstek i matrycy materiał podgrzewa się aż do uzyskania fazy izotropowej, a następnie schładza w tempie odpowiednim dla danego typu molekuł.

Chiralność[edytuj | edytuj kod]

Helikalne nanokompozyty mogą wykazywać właściwości optyczne charakterystyczne dla układów chiralnych[2]. Jednym z przykładów jest dichroizm kołowy (ang. Circular Dichroism, CD), który silnie zależy od trójwymiarowej struktury cząsteczki chiralnej. Polega on na różnej absorpcji światła spolaryzowanego kołowo, lewo- i prawoskrętnie przez ośrodek aktywny, która jest spowodowana występowaniem różnic w prędkościach propagacji fal oraz współczynnikach absorpcji. Powoduje to przekształcenie światła spolaryzowanego liniowo, na światło spolaryzowane eliptycznie lub kołowo. Powyżej opisany efekt jest jednak niewielki, ponieważ organiczne materiały chiralne słabo oddziałują z falą elektromagnetyczną. Alternatywą może być zastosowanie helikalnych nanokompozytów, opartych na metalicznych nanocząstkach, które pozwalają na uzyskanie silnych oddziaływań ze względu na plazmon powierzchniowy.

Uzyskiwanie homochiralnych cienkich warstw o silnej odpowiedzi optycznej (dichroizmu kołowego) w skali makro, na bazie wcześniej zaproponowanej procedury otrzymywania helikalnych nanofilamentów, jest możliwe dzięki wykorzystaniu transferu i amplifikacji chiralności z mniejszościowej ilości chiralnego dopanta. Następuje wówczas propagacja chiralności w kilku skalach – od chiralnej cząsteczki dopanta, poprzez organiczną strukturę supramolekularną, a ostatecznie do chiralnego układu nanocząstek.

Dowiedziono, że można sterować wielkością sygnału za pomocą zmiany rozmiarów oraz kształtów nanocząstek.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. ↑ a b Maciej Bagiński i inni, Shaping Liquid Crystals with Gold Nanoparticles: Helical Assemblies with Tunable and Hierarchical Structures Via Thin-Film Cooperative Interactions, „Advanced Materials”, 32 (1), 2020, s. 1904581, DOI: 10.1002/adma.201904581, ISSN 0935-9648 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  2. ↑ a b c Dorota Grzelak i inni, Liquid Crystal Templated Chiral Plasmonic Films with Dynamic Tunability and Moldability, „Advanced Functional Materials”, 32 (16), 2022, s. 2111280, DOI: 10.1002/adfm.202111280, ISSN 1616-301X [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  3. ↑ Minghua Liu, Li Zhang, Tianyu Wang, Supramolecular Chirality in Self-Assembled Systems, „Chemical Reviews”, 115 (15), 2015, s. 7304–7397, DOI: 10.1021/cr500671p, ISSN 0009-2665 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  4. ↑ Changxia Liu i inni, A Chiroptical Logic Circuit Based on Self-Assembled Soft Materials Containing Amphiphilic Spiropyran, „Advanced Materials”, 28 (8), 2016, s. 1644–1649, DOI: 10.1002/adma.201504883 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  5. ↑ Jatish Kumar i inni, Detection of amyloid fibrils in Parkinson’s disease using plasmonic chirality, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 115 (13), 2018, s. 3225–3230, DOI: 10.1073/pnas.1721690115, ISSN 0027-8424, PMID: 29531058, PMCID: PMC5879706 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  6. ↑ Jatish Kumar, K. George Thomas, Luis M. Liz-Marzán, Nanoscale chirality in metal and semiconductor nanoparticles, „Chemical Communications”, 52 (85), 2016, s. 12555–12569, DOI: 10.1039/C6CC05613J, ISSN 1364-548X, PMID: 27752651, PMCID: PMC5317218 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  7. ↑ Yoonseob Kim i inni, Reconfigurable chiroptical nanocomposites with chirality transfer from the macro- to the nanoscale, „Nature Materials”, 15 (4), 2016, s. 461–468, DOI: 10.1038/nmat4525, ISSN 1476-1122 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  8. ↑ Xiang Lan, Qiangbin Wang, Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures, „Advanced Materials”, 28 (47), 2016, s. 10499–10507, DOI: 10.1002/adma.201600697 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  9. ↑ Peizhao Liu i inni, Optically Active Perovskite CsPbBr 3 Nanocrystals Helically Arranged on Inorganic Silica Nanohelices, „Nano Letters”, 20 (12), 2020, s. 8453–8460, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02013, ISSN 1530-6984 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  10. ↑ Jiaji Cheng i inni, Optically active plasmonic resonance in self-assembled nanostructures, „Materials Chemistry Frontiers”, 2 (4), 2018, s. 662–678, DOI: 10.1039/C7QM00601B, ISSN 2052-1537 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  11. ↑ Yutao Sang i inni, Towards homochiral supramolecular entities from achiral molecules by vortex mixing-accompanied self-assembly, „Chemical Science”, 10 (9), 2019, s. 2718–2724, DOI: 10.1039/C8SC04687E, ISSN 2041-6539, PMID: 30996989, PMCID: PMC6419933 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  12. ↑ Wenchun Feng i inni, Assembly of mesoscale helices with near-unity enantiomeric excess and light-matter interactions for chiral semiconductors, „Science Advances”, 3 (3), 2017, e1601159, DOI: 10.1126/sciadv.1601159, ISSN 2375-2548, PMID: 28275728, PMCID: PMC5332156 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  13. ↑ Jihyeon Yeom i inni, Chiral templating of self-assembling nanostructures by circularly polarized light, „Nature Materials”, 14 (1), 2015, s. 66–72, DOI: 10.1038/nmat4125, ISSN 1476-1122, PMID: 25401922, PMCID: PMC4387888 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  14. ↑ Soumitra Mokashi-Punekar, Andrea D. Merg, Nathaniel L. Rosi, Systematic Adjustment of Pitch and Particle Dimensions within a Family of Chiral Plasmonic Gold Nanoparticle Single Helices, „Journal of the American Chemical Society”, 139 (42), 2017, s. 15043–15048, DOI: 10.1021/jacs.7b07143, ISSN 0002-7863 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  15. ↑ Anton Kuzyk i inni, DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response, „Nature”, 483 (7389), 2012, s. 311–314, DOI: 10.1038/nature10889, ISSN 0028-0836 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  16. ↑ Kamil Sobczak i inni, STEM Tomography of Au Helical Assemblies, „Microscopy and Microanalysis”, 2021, s. 1–5, DOI: 10.1017/S1431927621012009, ISSN 1431-9276 [dostęp 2022-04-21] (ang.).
  17. ↑ Maciej Bagiński i inni, Shaping Liquid Crystals with Gold Nanoparticles: Helical Assemblies with Tunable and Hierarchical Structures Via Thin-Film Cooperative Interactions, „Advanced Materials”, 32 (1), 2020, s. 1904581, DOI: 10.1002/adma.201904581, ISSN 0935-9648 [dostęp 2022-05-14] (ang.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Helikalne_nanokompozyty&oldid=70355593”