Хиральность — это свойство, при котором структуры имеют отчётливую лево- или правостороннюю направленность. Она позволяет природным полупроводникам эффективно перемещать заряд и преобразовывать энергию, управляя спином электронов и угловым моментом света. Новое исследование показало, что многие сопряжённые полимеры, которые долгое время считались структурно нейтральными, могут спонтанно принимать хиральные формы.
Это удивительное явление, которое десятилетиями оставалось незамеченным, может проложить путь к созданию нового класса энергоэффективной электроники, вдохновлённой природой.
Исследование, совместный проект учёных из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Технологического института Джорджии, Университета Северной Каролины и Университета Пердью, недавно было опубликовано в Журнале Американского химического общества.
«Многие молекулы, необходимые для жизни, являются хиральными», — сказала Ин Диао, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Иллинойсе, возглавлявшая проект. «Вопрос, который долгое время вызывал большой интерес в этой области, заключается в том, как происходит нарушение хиральной симметрии. То есть как жизнь выбирает одну хиральность вместо другой. Наша работа в основном сосредоточена на происхождении хиральности: почему хиральность спонтанно возникает в отсутствие каких-либо хиральных источников».
Чтобы ответить на этот вопрос, команда протестировала 34 сопряжённых полимера. Каждый полимер растворяли в растворителе, затем исследователи постепенно увеличивали концентрацию полимера, чтобы наблюдать, происходит ли жидкостно-жидкостное фазовое разделение (LLPS). Когда LLPS было обнаружено, они использовали спектроскопию кругового дихроизма для анализа образцов, выявив сильную корреляцию между фазовым разделением и возникновением хиральности. Исследователи называют это явление спонтанным нарушением хиральной симметрии.
Они обнаружили, что примерно две трети полимеров спонтанно формировали хиральные структуры при увеличении их концентрации в растворе.
«Это стало неожиданностью для нашего сообщества, потому что сопряжённые полимеры изучаются уже полвека», — сказала Диао. «Эти новые хиральные спиральные состояния материи в основном были скрыты у всех на виду».
Чтобы понять, почему некоторые полимеры приобрели хиральность, а другие — нет, профессор химии Иллинойса и старший соавтор Николас Э. Джексон применил машинное обучение для анализа молекулярных особенностей в библиотеке полимеров. Анализ, позже подтверждённый дополнительными тестами, показал, что полимеры с более длинными молекулярными цепями с большей вероятностью образуют хиральные сборки. Неожиданно исследователи также обнаружили, что присутствие атомов кислорода в боковых цепях было сильным предиктором хирального поведения.
«Машинное обучение выявило скрытые закономерности в десятках сопряжённых полимеров, связав тонкие химические детали с образованием хиральной фазы», — сказал Джексон. «Такие идеи было бы очень трудно получить с помощью одной лишь человеческой интуиции».
Диао отметила, что открытие не только углубляет наше фундаментальное понимание возникновения хиральности, но и имеет значительный технологический потенциал. В природе хиральные системы, такие как те, которые участвуют в фотосинтезе, обеспечивают высокоэффективный транспорт электронов. Заглядывая вперёд, Диао сказала, что имитация этого поведения может привести к значительному повышению производительности электронных устройств и инновациям в создании новых типов устройств.
«Мы думаем об использовании хиральности для контроля проводимости — например, в прозрачных проводниках для телефонов или в солнечных элементах, которые могут быть более стабильными и эффективными», — сказала она. «В наших компьютерах электроны перемещаются, и тепло является большой проблемой. Но если мы создадим хиральные версии, мы думаем, что передача заряда может быть чрезвычайно эффективной, как в природе».
«Что приятно в этом, так это то, что это ещё не конец истории», — сказал профессор химии Технологического института Джорджии Джон Рейнольдс, старший соавтор исследования. «Эта работа даёт руководство учёным-полимерам в этой области для изучения многих и многих сопряжённых полимеров, которые были синтезированы за эти годы, и для разработки новых полимеров с улучшенными свойствами».
Полимеры для исследования предоставили Рейнольдс, профессор химии Университета Северной Каролины Вэй Ю, профессор химии Университета Иллинойса Джефф Мур и профессор химии Университета Пердью Цзяньго Мэй.