Международный
научно-образовательный
центр Физики Наноструктур

Ученые из Университета ИТМО спроектировали оптически активный наноразмерный суперкристалл, особая архитектура которого позволит использовать его для разделения органических молекул, что значительно упростит технологию изготовления лекарственных препаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports ("Chiral quantum supercrystals with total dissymmetry of optical response").

Новый тип суперкристалла по своей структуре напоминает винтовую лестницу. Он состоит из стержневидных квантовых точек, очень малых «кусочков» полупроводника размером в несколько нанометров, и обладает важным свойством — хиральностью. Благодаря этой особенности разработанные суперкристаллы могут найти широкое применение в фармакологии при идентификации хиральных биомолекул.

Хиральность — это свойство различных объектов не совпадать со своим отражением в зеркале. Самый простой пример хиральности — человеческие ладони. Что же касается разработанной модели суперкристалла, то ее хиральность можно представить на примере двух винтовых лестниц из квантовых точек-ступенек: одна закручивается вправо, а вторая — влево. Поэтому суперкристалл способен поглощать свет, поляризованный (закрученный по спирали) в одну сторону, и пропускать тот, что поляризован в другом направлении.

«Как и у любой хиральной наноструктуры, диапазон применения таких суперкристаллов велик, — отмечает руководитель Лаборатории моделирования и дизайна наноструктур Иван Рухленко. — Например, в фармакологии при распознавании хиральных лекарственных молекул. Собираясь в спирали вокруг них, квантовые точки способны проявлять коллективные свойства, которые могут в сотни раз усиливать поглощательную способность молекул. Это позволяет увеличивать точность, с которой молекулы можно обнаруживать в растворе».

Хиральность присуща почти всем органическим молекулам, в том числе белкам, нуклеиновым кислотам и другим веществам в организме человека. Поэтому две зеркальные формы (энантиомеры) одного и того же лекарственного вещества будут обладать разной биологической активностью: одна может взаимодействовать с хиральными компонентами организма, оказывая полезное влияние, а другая — не иметь никакого воздействия на организм или же быть токсичной. Именно поэтому важно тщательно разделять энантиомеры при синтезе лекарственных препаратов.

Помимо фармакологии, оптическую активность суперкристаллов можно использовать в ряде технических приложений для поляризации светового сигнала. Поскольку каждая квантовая точка имеет форму стержня, взаимодействие со светом происходит по ее продольной оси, так что взаимное расположение квантовых точек относительно друг друга имеет ключевое значение для оптических свойств всей конструкции. Аналогично оптические эффекты суперкристалла наиболее сильно проявляются при распространении света вдоль его центральной оси, поэтому, ориентируя суперкристаллы в растворе, можно переключать оптическую активность системы, как это делается в случае с жидкокристаллическими объектами.

При поддержке Тринити-колледжа в Дублине (Ирландия) ученые изучили оптический отклик модели полупроводникового суперкристалла. Для этого исследователи варьировали ряд морфологических параметров структуры, в частности, растягивали ее, как пружинку, меняли радиус и ориентацию квантовых точек относительно друг друга.

«Мы впервые смогли теоретически выявить параметры хирального суперкристалла, при которых требуемый оптический эффект максимален, избежав создания множества копий с непредсказуемыми свойствами, — рассказывает ведущий автор исследования, научный сотрудник Центра „Информационные оптические технологии“ (ЦИОТ) Анвар Баймуратов. — Зная выходные параметры оптических свойств, можно смоделировать суперкристалл для решения конкретной задачи. И наоборот, обладая данными о строении суперкристалла, можно точно спрогнозировать его оптическую активность».

Опираясь на результаты российских ученых, их коллеги из Дрезденского технического университета планируют в скором времени синтезировать спроектированный нанокристалл с помощью ДНК-оригами. Этот метод позволяет собрать винтовую структуру из квантовых точек при посредничестве молекул ДНК.

«Экспериментальное изучение суперкристаллов должно подтвердить их теоретически предсказанные свойства и выявить новые. Главное преимущество суперкристаллов понятно уже сейчас: изменяя морфологию суперкристаллов в процессе синтеза, можно варьировать их оптический отклик в широком диапазоне частот», — добавляет Иван Рухленко.

Технологии сегодняшнего дня основываются на использовании отдельных квантовых точек. Исследователи же предложили собирать их в суперкристаллы.

«Объединив квантовые точки в блоки, мы получили больше степеней свободы для изменения оптической активности растворов суперкристаллов. Чем сложнее сборка, тем сильнее ее свойства зависят от того, каким образом мы скомпоновали элементы вместе. Дальнейшее усложнение структуры приведет к созданию целого ряда новых оптических материалов», — заключает Анвар Баймуратов.