Многие молекулы существуют в виде двух зеркально симметричных форм. Они похожи друг на друга так же, как правая и левая ладони: выглядят почти одинаково, но совместить их невозможно. Такое свойство называют хиральностью. Несмотря на полностью идентичный химический состав и структуру, разные формы одной и той же молекулы могут обладать различными свойствами: одна может проявлять лекарственное действие, а другая — быть менее эффективной или даже вызывать нежелательные эффекты.

Поэтому при создании лекарственных препаратов важно контролировать, какая именно форма молекулы образуется в процессе синтеза. Для этого химики используют хиральные углеродные наночастицы, которые способны по-разному взаимодействовать с «правыми» и «левыми» молекулами и потому могут служить сенсорами. Однако большинство таких структур работают как сенсоры «зеркальных» молекул преимущественно в водных растворах, тогда как в органических средах они не распределяются равномерно и склонны к образованию агрегатов, из-за чего теряют свои свойства. В то же время многие химические превращения, в том числе необходимые для синтеза лекарств, проходят именно в органических растворителях. Поэтому ученые стремятся получить материалы, не теряющие свои свойства в этих условиях.

Исследователи из Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами предложили новый подход к созданию таких материалов. Обычно подобные наночастицы получают, присоединяя хиральные молекулы к поверхности готовой углеродной структуры. Однако этот метод синтеза в основном применяют в водных средах, а модифицированная таким образом поверхность отличается невысокой стабильностью.

Авторы использовали принципиально иной подход: они встроили хиральные фрагменты непосредственно в саму углеродную матрицу в процессе ее синтеза. Это сделало наночастицы гораздо более стабильными и позволило им сохранять свои оптические свойства даже в органических растворителях.

Анализ показал, что полученные частицы имеют размеры около 5–10 нанометров — примерно в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. При этом они обладают сразу двумя оптическими свойствами: ярко светятся под действием ультрафиолета и по-разному поглощают лево- и правополяризованный свет. Это означает, что наночастицы неодинаково взаимодействуют со светом, направление вращения которого меняется в противоположные стороны. Благодаря этому они позволяют использовать два независимых оптических сигнала для распознавания хиральных соединений — свечение и изменение поглощения.

Исследователи проверили работу материала в толуоле — одном из самых распространенных органических растворителей. Наночастицы изменили свои оптические свойства в присутствии «зеркальных» органических молекул, что позволило ученым успешно их обнаружить. Это подтверждает, что разработку можно будет использовать в сферах, где применяются преимущественно органические растворители, например, в оптоэлектронике и фармацевтике.

«В перспективе разработанные материалы могут лечь в основу сенсоров, которые упростят анализ продуктов и улучшат оценку качества при разработке новых препаратов. В области оптоэлектроники хиральные углеродные наноколлоиды могут стать основой для создания новых фотонных устройств, более эффективных светодиодов и солнечных элементов. В дальнейшем мы планируем получить частицы, которые не только поглощают циркулярно-поляризованный свет, но и излучают его для создания гибридных наноматериалов и спин-светодиодов на их основе», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Ведерникова, младший научный сотрудник международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

В исследовании принимали участие специалисты Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Сучжоуского университета (Китай), Университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне (Китай), Цзилиньского университета (Китай), Пекинского технологического университета (Китай), Городского университета Гонконга (Китай), Остравского технического университета (Чехия) и Университета Палацкого в Оломоуце (Чехия).