Учёные обнаружили скрытый секрет
Когда учёные думали, что знают всё о кристаллах, сотрудничество Северо-Западного университета и Университета Висконсин-Мэдисон раскрыло неожиданную тайну.
Центросимметричные кристаллы — это особый тип материала, который полностью симметричен во всех направлениях от центральной точки. Ранее считалось, что только нецентросимметричные материалы могут проявлять хиральное поведение — свойство, при котором объект действует иначе, чем его зеркальное отражение. Однако впервые исследователи обнаружили, что центросимметричный кристалл может вести себя «хирально», несмотря на свою симметрию.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследовательская группа изучила, как определённый центросимметричный кристалл взаимодействует с циркулярно поляризованным светом, который закручивается, как штопор, в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Ранее учёные предполагали, что центросимметричный материал будет одинаково поглощать свет в обоих направлениях. Однако кристалл поглощал свет в одном направлении больше, чем в другом, демонстрируя явное хиральное поведение.
Это открытие не только ставит под сомнение устоявшиеся представления о кристаллах и хиральности, но и открывает новые возможности для изучения распространённых центросимметричных материалов с целью разработки новых технологий управления светом. Потенциальные приложения могут включать более яркие оптические дисплеи, более чувствительные датчики и новые типы более быстрой и безопасной световой связи.
«Это открытие стало неожиданностью для многих в научном сообществе, которое долгое время считало этот принцип невозможным», — сказал Роэл Темпелаар из Северо-Западного университета, руководивший теоретическим исследованием, приведшим к этой работе.
Темпелаар — доцент кафедры химии в Северо-Западном колледже искусств и наук им. Вайнберга. Он руководил исследованием вместе с Кеннетом Попельмейером, профессором химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Вайнберге, и Рэндаллом Голдсмитом, профессором химии в Университете Висконсин-Мэдисон.
Хиральность в молекулярном мире
Фундаментальный аспект молекулярного мира — хиральность, которая возникает, когда объект и его зеркальное отражение не могут быть идеально совмещены друг с другом.
Пара обуви, например, является зеркальным отражением друг друга. Следовательно, человек не может надеть левый ботинок на правую ногу. Он просто не подойдёт по размеру, потому что ступни и обувь обладают хиральностью. С другой стороны, сфера и её зеркальное отражение идеально совпадают, что является примером ахирального поведения.
Хотя это может показаться сложной концепцией, хиральность глубоко влияет на то, как молекулы взаимодействуют друг с другом и с биологическими системами, влияя на всё: от вкусов продуктов, эффективности лекарств и самой природы жизни.
Фармацевтический препарат талидомид является трагическим примером того, как хиральность может критически влиять на здоровье человека. Хотя талидомид может быть эффективным для лечения утреннего недомогания во время беременности, зеркальное отражение того же соединения может вызывать серьёзные врождённые дефекты.
«Многие молекулы существуют в двух „вкусах“», — сказал Темпелаар. «У них есть „правая“ форма и „левая“ форма. Изучая их взаимодействие с хиральным светом, вы можете определить, какой тип молекулы у вас есть. Иногда правая версия является мощным лекарством, а левая — ядом».
После разработки методов вычислительной химии для изучения хиральности молекул Темпелаар и его команда задались вопросом, можно ли применить свои расчёты к кристаллам. Их моделирование показало, что механизм может привести к кажущейся хиральности в кристаллах при определённых условиях, что в конечном итоге показало, что это может работать даже при центросимметрии.
«Благодаря высокой степени симметрии традиционно не ожидается, что центросимметричный кристалл будет проявлять хиральность», — сказал Темпелаар. «Но мы были оптимистичны в отношении нашего уровня предсказуемости, потому что уже рационализировали это конкретное явление на различных молекулярных образцах. Мы не ожидали, что физика в кристалле будет вести себя как-то иначе».
Темпелаар и его группа предсказали, что центросимметричный кристалл, изготовленный из оксида лития, кобальта и селена, должен поглощать свет хиральным образом. Чтобы проверить эту теорию, команда Попельмейера синтезировала кристалл. Согласно давно принятым принципам, кристалл не должен был поглощать свет, вращающийся по часовой стрелке и против часовой стрелки, по-разному. Но учёные обнаружили, что это происходит.
«Насколько нам известно, ни об одном центросимметричном кристалле не сообщалось, что он делает это», — сказал Темпелаар. «Но у нас был успех с первым материалом, который мы попробовали. Мы очень взволнованы этим. Это открыло нам глаза, чтобы начать смотреть на различные центросимметричные материалы по-новому».
Предоставлено Северо-Западным университетом