Les chimistes développent une nouvelle méthode pour créer des structures chirales

Certaines molécules existent sous deux formes telles que leurs structures et leurs images miroir ne sont pas superposables, comme nos mains gauche et droite. Appelée chiralité, c’est une propriété que possèdent ces molécules en raison de leur asymétrie. Les molécules chirales ont tendance à être optiquement actives en raison de la manière dont elles interagissent avec la lumière. Souvent, une seule forme de molécule chirale existe dans la nature, par exemple l’ADN. Il est intéressant de noter que si une molécule chirale fonctionne bien comme médicament, son image miroir pourrait être inefficace pour le traitement.

En essayant de produire une chiralité artificielle en laboratoire, une équipe dirigée par des chimistes de l’Université de Californie à Riverside a découvert que la distribution d’un champ magnétique est elle-même chirale.

"Nous avons découvert que les lignes de champ magnétique produites par n'importe quel aimant, y compris un barreau magnétique, ont une chiralité", a déclaré Yadong Yin, professeur de chimie, qui a dirigé l'équipe. « De plus, nous avons également pu utiliser la distribution chirale du champ magnétique pour inciter les nanoparticules à former des structures chirales. »

Traditionnellement, les chercheurs utilisaient le « modèle » pour créer une molécule chirale. Une molécule chirale est d’abord utilisée comme modèle. Des nanoparticules achirales (ou non chirales) sont ensuite assemblées sur ce gabarit, leur permettant d'imiter la structure de la molécule chirale. L’inconvénient de cette technique est qu’elle ne peut pas être appliquée universellement, car elle dépend fortement de la composition spécifique de la molécule modèle. Un autre inconvénient est que la structure chirale nouvellement formée ne peut pas être facilement positionnée à un emplacement spécifique, par exemple sur un appareil électronique.

"Mais pour obtenir un effet optique, vous avez besoin d'une molécule chirale qui occupe une place particulière sur l'appareil", a déclaré Yin. « Notre technique pallie ces inconvénients. Nous sommes capables de former rapidement des structures chirales en assemblant magnétiquement des matériaux de n’importe quelle composition chimique à des échelles allant des molécules aux nano et microstructures.

Yin a expliqué que la méthode de son équipe utilise des aimants permanents qui tournent constamment dans l'espace pour générer la chiralité. Il a expliqué que le transfert de la chiralité vers des molécules achirales se fait par dopage, c'est-à-dire en incorporant des espèces invitées, telles que des métaux, des polymères, des semi-conducteurs et des colorants, dans les nanoparticules magnétiques utilisées pour induire la chiralité.

Les résultats de l'étude paraissent aujourd'hui dans la revue Science.

Yin a déclaré que les matériaux chiraux acquièrent un effet optique lorsqu'ils interagissent avec la lumière polarisée. En lumière polarisée, les ondes lumineuses vibrent dans un seul plan, réduisant ainsi l’intensité globale de la lumière. En conséquence, les verres polarisés des lunettes de soleil réduisent l’éblouissement de nos yeux, contrairement aux verres non polarisés.

"Si nous modifions le champ magnétique qui produit la structure chirale d'un matériau, nous pouvons modifier la chiralité, ce qui crée alors différentes couleurs pouvant être observées à travers les lentilles polarisées", a déclaré Yin. « Ce changement de couleur est instantané. La chiralité peut également disparaître instantanément grâce à notre méthode, permettant un réglage rapide de la chiralité.

Les résultats pourraient avoir des applications dans la technologie anti-contrefaçon. Un motif chiral qui signifie l’authenticité d’un objet ou d’un document serait invisible à l’œil nu mais visible à travers des lentilles polarisées. D'autres applications des résultats concernent la détection et le domaine de l'optoélectronique.

"Des dispositifs optoélectroniques plus sophistiqués peuvent être fabriqués en tirant parti de l'accordabilité de la chiralité permise par notre méthode", a déclaré Zhiwei Li, premier auteur de l'article et ancien étudiant diplômé du laboratoire de Yin. « En matière de détection, notre méthode peut être utilisée pour détecter rapidement des molécules chirales ou achirales liées à certaines maladies, comme le cancer et les infections virales.

Yin et Li ont été rejoints dans la recherche par une équipe d'étudiants diplômés du laboratoire de Yin, dont Qingsong Fan, Zuyang Ye, Chaolumen Wu et Zhongxiang Wang. Li est maintenant chercheur postdoctoral à la Northwestern University dans l’Illinois.

La recherche a été financée par une subvention accordée à Yin de la National Science Foundation. Le Bureau des partenariats technologiques de l'UCR a déposé une demande de brevet liée à ce travail.