Исследователи Университета ИТМО смоделировали оптически активный наноразмерный суперкристалл, особая архитектура которого позволит использовать его для разделения органических молекул. Это значительно упростит технологию изготовления лекарств, сообщается в поступившем в редакцию пресс-релизе. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Структура суперкристалла нового типа напоминает винтовую лестницу. Он состоит из стержневидных квантовых точек порядка нескольких нанометров, «кусочков» полупроводника. Важная его особенность – хиральность (свойство различных объектов не совпадать со своим отражением в зеркале), благодаря которой такие суперкристаллы могут найти широкое применение в фармакологии при идентификации хиральных биомолекул.

Хиральность разработанной модели суперкристалла можно представить как две винтовые лестницы 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 применений таких суперкристаллов велик. 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», – отметил руководитель лаборатории моделирования и дизайна наноструктур Университета ИТМО Иван Рухленко.

Свойством хиральности обладают почти все органические молекулы, в том числе белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества в организме человека. Поэтому две зеркальные формы (энантиомеры) одного и того же лекарственного вещества будут иметь разную биологическую активность: одна может взаимодействовать с хиральными компонентами организма, оказывая полезное влияние, а другая – не иметь никакого воздействия на организм или же быть токсичной. В связи с этим следует тщательно разделять энантиомеры при синтезе лекарственных препаратов.

Наряду с фармакологией 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 её продольной оси, так что взаимное расположение квантовых точек относительно друг друга имеет ключевое значение для оптических свойств всей конструкции.

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 делают в случае с жидкокристаллическими объектами.

Учёные из Университета ИТМО при поддержке Тринити-колледжа в Дублине (Ирландия) изучили оптический отклик модели полупроводникового суперкристалла – они варьировали ряд морфологических параметров структуры, в частности, растягивали её, 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.

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», – пояснил ведущий автор исследования, научный сотрудник Центра «Информационные оптические технологии» (ЦИОТ) Университета ИТМО Анвар Баймуратов.

Коллеги из Дрезденского технического университета, опираясь на результаты российских учёных, планируют в скором времени синтезировать спроектированный нанокристалл с помощью ДНК-оригами – метода, позволяющего 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», – уточнил Иван Рухленко.

В основе технологий сегодняшнего дня – использование 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 её свойства зависят от того, каким образом мы скомпоновали элементы вместе. Дальнейшее усложнение структуры приведёт к созданию целого ряда новых оптических материалов», – резюмировал Анвар Баймуратов.