کنترل مارپیچ مولکولی: رویکردی جدید برای ساختن نانوگرافن های کایرال

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اکنون می توان نانوگرافن هایی با حداکثر هشت واحد هلیسن را با استفاده از یک فرآیند دو مرحله ای به صورت انتخابی سنتز کرد. محققان ساینس توکیو راهبردی برای سنتز نانوگرافن‌های چند مارپیچی حاوی حداکثر هشت واحد هلیسین با دستی کنترل‌شده ایجاد کرده‌اند.

با استفاده از یک فرآیند گام به گام شامل [2+2+2] سیکلودافزودن و واکنش شول، این استراتژی ساخت گزینشی ساختارهای کایرال پیچیده با ویژگی‌های نوری قابل تنظیم، از جمله انتشار کارآمد مادون قرمز، ارائه کاربردهای بالقوه در مواد پیشرفته کایروپتیکی و دستگاه‌های نوری را ممکن می‌سازد.

نانوگرافن‌ها که از حلقه‌های آروماتیک ذوب شده در شبکه‌های دو بعدی ساخته شده‌اند، مواد مبتنی بر کربن امیدوارکننده‌ای برای کاربردهای اپتوالکترونیکی نسل بعدی هستند.

شبکه های سفت و سخت گسترده آنها از حلقه های آروماتیک ذوب شده از انتقال بار کارآمد پشتیبانی می کند و پایداری شیمیایی و حرارتی بالایی را ارائه می دهد. با این حال، ساختارهای مسطح آنها تجمع مولکولی را نیز تشویق می کند، که حلالیت آنها را در حلال های آلی کاهش می دهد و می تواند کاربردهای عملی آنها را محدود کند.

یک رویکرد امیدوارکننده برای غلبه بر این محدودیت‌ها شامل ترکیب هلیسین‌ها، مولکول‌هایی با آرایش مارپیچی حلقه‌های معطر ذوب شده، در امتداد لبه‌های نانوگرافن‌ها است. این واحدهای مارپیچ می توانند حلالیت را بهبود بخشند و در عین حال کایرالیته مارپیچی و خواص کایروپتیکی متمایز را معرفی می کنند، از جمله توانایی تعامل متفاوت با نور قطبی شده دایره ای چپ و راست.

با این حال، ترکیب مارپیچ‌های متعدد، استریوایزومرهای ممکن متعددی را ایجاد می‌کند و به‌دست‌آوردن مولکول‌هایی با مارپیچ‌های هم‌تراز یکنواخت بدون روش‌های جداسازی دشوار، چالش برانگیز است.

در تلاش برای غلبه بر این چالش‌ها، یک تیم تحقیقاتی در مؤسسه علوم توکیو (ساینس توکیو)، ژاپن، یک استراتژی بسیار انتخابی برای سنتز نانوگرافن‌های چند مارپیچی حاوی حداکثر هشت واحد هلیسین ایجاد کرده‌اند.

این تیم متشکل از دانشجوی فارغ التحصیل ریوتا شیمیزو، استادیار جونتارو نوگامی، دکتر فوتو موریتا (دانشجوی کارشناسی ارشد در زمان تحقیق، اکنون در دانشگاه کیوتو)، دانشیار چیهیرو مائدا و پروفسور کن تاناکا از دپارتمان علوم و مهندسی شیمی، دانشکده مواد و دانشجوی فارغ التحصیل رشته مواد و فناوری شیمی، پروفسور توکیو، کیشروهی و پروفسور کیشروهی. اوکوسا از گروه شیمی، دانشکده علوم، علوم توکیو.

مطالعه آنها که به صورت آنلاین در مجله Nature Synthesis منتشر شده است، روشی را برای کنترل آرایش سه بعدی و دستی این ساختارهای مولکولی پیچیده نشان می دهد.

شیمیزو می‌گوید: «سنتز بسیار گزینشی مولکول‌های نانوگرافن با حداکثر هشت واحد هلیسن به دست آمده است. این پیشرفت به یک چالش دیرینه در ساخت نانومواد پیچیده کایرال با مارپیچی دقیق کنترل‌شده پاسخ می‌دهد.

محققان دو واکنش کلیدی را با هم ترکیب کردند: یک سیکلودافزودن انانتیو انتخابی [2+2+2] و یک واکنش شول انتخابی دیاستری. واکنش اول چارچوب مارپیچ اولیه را ایجاد می کند و تشکیل و دستی واحدهای هلیسن اضافی را تنظیم می کند، در حالی که واکنش دوم پیوندهای کربن-کربن جدیدی را از طریق همجوشی حلقه اکسیداتیو ایجاد می کند و ساختار نانوگرافن را گسترش می دهد.

با تنظیم جایگزین‌های آروماتیک و شرایط واکنش، این تیم طیفی از نانوگرافن‌های چند مارپیچی با ساختارهای مولکولی متفاوت را سنتز کردند.

ترکیبات حاصل تا هشت واحد هلیسین با دستی کنترل شده را در خود جای دادند. اگرچه 136 استریو ایزومر از نظر هندسی برای ساختار هشت مارپیچ امکان پذیر است، محققان استریوایزومر مورد نظر را با انانتیو انتخاب خوب به دست آوردند.

این ترکیبات همچنین فلورسانس قابل تنظیم از طیف مرئی تا ناحیه مادون قرمز نزدیک را همراه با پاسخ‌های کایروپتیکی متمایز از خود نشان دادند. نکته قابل توجه، نانوگرافن شش مارپیچ که دارای چارچوب نانوروبان گرافن نه صندلی است، تابش مادون قرمز نزدیک با بازده کوانتومی فلورسانس تا 50٪ را نشان می دهد.

تاناکا می‌گوید: «این یافته‌ها کنترل دقیقی را بر روی چندین واحد هلیسن امکان‌پذیر می‌سازد و در عین حال مسیری را برای مواد کایرال با انتشار کارآمد نزدیک به فروسرخ فراهم می‌کند.

این یافته ها یک پلت فرم طراحی مولکولی برای توسعه مواد نوری الکترونیکی کایرال ارائه می دهد. چنین موادی می‌توانند به فناوری‌های نوری آینده، از جمله دستگاه‌های حساس به قطبش و سیستم‌های نزدیک به مادون قرمز کمک کنند. ویژگی‌های مادون قرمز نزدیک نیز ممکن است فرصت‌هایی را برای تشخیص و تصویربرداری مبتنی بر نور ارائه دهند، اگرچه تحقیقات بیشتری برای تعیین مناسب بودن عملی آنها مورد نیاز است.

رویکرد این تیم برای ترکیب سنتز انتخابی استریو با طراحی مولکولی قابل تنظیم، ساخت نانوگرافن های پیچیده را پیشرفت می دهد. علاوه بر این، بهبود کارایی و مقیاس‌پذیری مصنوعی می‌تواند گستره نانومواد کایرال قابل دسترس را گسترش دهد و از توسعه آینده آنها برای کاربردهای پیشرفته اپتوالکترونیک پشتیبانی کند.

ریوتا شیمیزو و همکاران، سنتز انانتیو و دیاستری انتخابی نانوگرافن های چند مارپیچی، سنتز طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s44160-026-01155-9

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →