Ученые из лаборатории «Оптика квантовых наноструктур» Университета ИТМО, совместно с коллегами из Центра адаптивных наноструктур и наноустройств (CRANN) Тринити-Колледжа (Дублин, Ирландия) впервые показали, что полученные по стандартной методике нанокристаллы обладают естественной хиральностью и образуют смесь из зеркальных отражений друг друга, в отношении 50/50. Результаты своей работы ученые представили в журналах NanoLetters и NatureProtocols. Коротко о сути открытия рассказывается в пресс-релизе университета.

Хиральностью называется асимметричность относительно правой и левой стороны. Иначе говоря, если зеркальное отражение объекта не совмещается с самим объектом в пространстве — значит, этот объект хирален. Таким свойством обладают самые разные объекты, от элементарных частиц до галактик.

Важное значение имеет хиральность для органических молекул. У многих таких молекул есть «правая» и «левая» формы (зеркальные изомеры, или хиральные формы), которые в силу хиральности отличаются друг от друга, и имеют разные химико-биологические свойства. Подчас действие таких веществ-антиподов противоположно. Например, зеркальный изомер болеутоляющего ибупрофена не только не снимает боль, но и отравляет организм, являясь токсичным.

Хиральные соединения и их растворы оптически активны, то есть могут закручивать плоскость поляризации света либо вправо, либо влево — в зависимости от того, какая именно хиральная форма вещества присутствует. Обычные растворы нанокристаллов оптически неактивны, поэтому до сих пор считалось, что нанокристаллы не обладают свойством хиральности. Однако ученым удалось опровергнуть это представление.

Для этого они поместили нанокристаллы селенида кадмия (CdSe) в двухфазный раствор из двух несмешиваемых веществ: воды и хлороформа. В раствор также добавили аминокислоту цистеин, которая делает нанокристаллы водорастворимыми и таким образом помогает им переходить из органической фазы (хлороформа) в водную. Если в определенный момент охладить раствор, можно добиться такого состояния, когда все «левые» нанокристаллы окажутся в одной фазе, а «правые» — в другой. Оказалось, что «левых» и «правых» форм в растворе нанокристаллов поровну и именно поэтому он оптически неактивен.

«Отсутствие оптической активности в растворе нанокристаллов можно объяснить тем, что в рацемической (50/50) смеси «левые» и «правые» формы гасят друг друга, закручивая плоскость поляризации одновременно в противоположные стороны», — объяснила Мария Мухина, научный сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур» и первый автор исследования.

Это открытие имеет важное практическое значение для биофармацевтики, нанобиотехнологии, нанотоксикологии и биомедицины, в особенности для медицинской диагностики и адресной доставки лекарств. Так, «если все наночастицы действительно хиральны, то при взаимодействии с биологическим объектом 50% смеси наночастиц проникнут в него, в то время как другие 50% останутся снаружи. Для нанотоксикологии, например, такой вывод имеет критическое значение, а раньше этого никто не учитывал», — сказал Юрий Гунько, профессор Тринити-Колледжа и соруководитель международного научно-образовательного центра «Физика наноструктур» Университета ИТМО.