化学者がキラル構造を作成する新しい方法を開発

一部の分子は、私たちの左手と右手のように、その構造と鏡像を重ね合わせることができない 2 つの形式で存在します。 これはキラリティーと呼ばれ、分子が非対称であるために持つ特性です。 キラル分子は、光との相互作用により光学的に活性になる傾向があります。 多くの場合、自然界には DNA などのキラル分子が 1 つの形態のみ存在します。 興味深いことに、キラル分子が薬物としてうまく機能する場合、その鏡像は治療には効果がない可能性があります。

カリフォルニア大学リバーサイド校の化学者率いるチームは、研究室で人工的なキラリティーを生成しようとして、磁場の分布自体がキラルであることを発見した。

「棒磁石を含むあらゆる磁石によって生成される磁力線にはキラリティーがあることがわかりました」と研究チームを率いた化学教授のヤドン・イン氏は語った。 「さらに、磁場のキラル分布を利用して、ナノ粒子を誘導してキラル構造を形成することもできました。」

従来、研究者はキラル分子を作成するために「テンプレート」を使用してきました。 まず、キラル分子がテンプレートとして使用されます。 次に、アキラル (または非キラル) ナノ粒子がこのテンプレート上に集合し、キラル分子の構造を模倣できるようになります。 この手法の欠点は、テンプレート分子の特定の組成に大きく依存するため、普遍的に適用できないことです。 もう 1 つの欠点は、新しく形成されたキラル構造を、たとえば電子デバイス上の特定の位置に簡単に配置できないことです。

「しかし、光学効果を得るには、キラル分子がデバイス上の特定の場所を占める必要があります」とイン氏は言う。 「私たちの技術はこれらの欠点を克服します。 私たちは、分子からナノおよびマイクロ構造に至るスケールで、あらゆる化学組成の材料を磁気的に集合させることにより、キラル構造を迅速に形成することができます。」

イン氏は、彼のチームの手法では、キラリティーを生成するために空間内で常に回転する永久磁石を使用していると説明しました。 同氏は、キラリティーをアキラル分子に移すのはドーピングによって行われる、つまり、キラリティを誘導するために使用される磁性ナノ粒子に金属、ポリマー、半導体、色素などのゲスト種を組み込むことであると述べた。

研究結果は本日サイエンス誌に掲載される。

イン氏は、キラル材料は偏光と相互作用すると光学効果を獲得すると述べた。 偏光では、光波が単一平面内で振動し、光の全体的な強度が減少します。 その結果、サングラスの偏光レンズは目のまぶしさをカットしますが、非偏光レンズはカットしません。

「材料のキラル構造を生み出す磁場を変えると、キラリティーを変えることができ、それによってさまざまな色が生み出され、偏光レンズを通して観察することができます」とイン氏は語った。 「この色の変化は瞬間的です。 私たちの方法ではキラリティーを瞬時に消失させることもできるので、迅速なキラリティーの調整が可能になります。」

この発見は、偽造防止技術に応用できる可能性がある。 物体や文書の信頼性を示すキラルパターンは、肉眼では見えませんが、偏光レンズを通して見ると見えるようになります。 この発見の他の用途は、センシングおよびオプトエレクトロニクスの分野です。

「私たちの方法で可能になるキラリティーの調整可能性を利用することで、より洗練された光電子デバイスを作成できます」と、論文の筆頭著者でイン氏の研究室の元大学院生であるZhiwei Li氏は述べた。 「センシングに関しては、私たちの方法を使用して、がんやウイルス感染症などの特定の疾患に関連するキラルまたはアキラル分子を迅速に検出できます。」

イン氏とリー氏は、イン氏の研究室の大学院生チーム（Qingsong Fan氏、Zuyang Ye氏、Chaolumen Wu氏、Zhongxiang Wang氏を含む）も研究に参加した。 リーは現在、イリノイ州のノースウェスタン大学で博士研究員を務めています。

この研究は、国立科学財団からイン氏への助成金によって資金提供されました。 UCR 技術パートナーシップ局は、この研究に関連する特許出願を提出しました。