Kiedy lustro nie ma znaczenia: zagadka chiralności
W świecie przyrody asymetria jest regułą. Lewa i prawa rękawiczka to przedmioty, których nie da się na siebie nałożyć, mimo że stanowią idealne lustrzane odbicia. Zjawisko to, nazywane przez chemików chiralnością, dotyczy muszli ślimaków, śrub oraz wielu cząsteczek organicznych. Przez długi czas sądzono, że budulcem struktur spiralnych – takich jak kultowa podwójna helisa DNA – muszą być molekuły, które same w sobie wykazują tę asymetrię.
Najnowsze badania międzynarodowego zespołu z udziałem naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego przewracają te dogmaty do góry nogami. Odkrycie opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Communications” pokazuje, że cząsteczki całkowicie achiralne – czyli takie, które są w pełni identyczne ze swoimi odbiciami lustrzanymi – potrafią spontaniczně organizować się w skomplikowane, lewo- i prawoskrętne helisy.
Od nanometrów do mikrometrów: nowa rodzina układów
W badaniach, pod którymi podpisują się m.in. prof. dr hab. Ewa Górecka i dr hab. Damian Pociecha z Wydziału Chemii UW (we współpracy z ośrodkami w Wielkiej Brytanii oraz Słowenii), wzięto pod lupę ciekłe kryształy. To fascynujący stan materii: substancje te potrafią płynąć jak zwykła ciecz, jednak ich cząsteczki zachowują częściowy porządek.
Gdy cząsteczki budujące taki materiał są delikatnie wygięte, klasyczne, równoległe ułożenie przestaje być dla nich energetycznie najwygodniejsze. Kolejne molekuły zaczynają wykonywać mikroskopijny obrót względem swoich sąsiadek. Wystarczy powtórzyć ten niewielki krok wielokrotnie, aby z pozoru prosta substancja zamieniła się w pełnoprawną helisę.
- Odkryta rodzina układów obejmuje struktury o skrajnie różnych rozmiarach.
- Najmniejsze helisy mierzą zaledwie kilka nanometrów.
- Naukowcy zidentyfikowali również zupełnie nowe formy o gabarytach przekraczających jeden mikrometr.
Jak schody kręcone bez prawego i lewego stopnia
Mechanizm ten można łatwo zilustrować za pomocą analogii architektonicznej. Wyobraź sobie spiralne schody, w których każdy pojedynczy stopień jest idealnie symetryczny i płaski. Mimo braku wewnętrznej „skrętności” poszczególnych elementów, cała konstrukcja stopniowo zatacza krąg, tworząc wyraźną spiralę.
Co ciekawe, w tej samej objętości materiału proces ten zachodzi dwukierunkowo: w jednym obszarze próbki powstaje spirala lewoskrętna, a tuż obok – prawoskrętna. Pomiary spektroskopowe wykonane m.in. w brytyjskim ośrodku Diamond Light Source potwierdziły, że tak uformowany materiał w unikalny sposób oddziałuje ze światłem spolierowanym, inaczej pochłaniając fale lewo-, a inaczej prawoskrętne.
Przyszłość nowych materiałów funkcjonalnych
Choć mechanizmy spontanicznego łamania symetrii w tzw. materiałach miękkich stają się coraz lepiej poznane, fundamentalne pytanie wciąż pozostaje otwarte: w jaki sposób identyczne, pozbawione preferencji cząsteczki „decydują” o ostatecznym kierunku skrętu w danej mikrodomenie?
Odpowiedź na to pytanie to nie tylko czysta fizykochemia. Zrozumienie reguł rządzących samoorganizacją takich układów otwiera drzwi do projektowania nowoczesnych materiałów funkcjonalnych. W niedalekiej przyszłości mogą one znaleźć zastosowanie w zaawansowanej optyce, systemach fotonicznych oraz czułych czujnikach sensorycznych nowej generacji.
Źródło: RSS Popularyzacja
KOMENTARZE