A fi capabil să decidă nu doar dacă o particulă la scară micron se răsucește, ci și cât de mult ar putea deschide noi căi pentru viziunea artificială și multe altele

Dezvoltarea deschide calea pentru producerea ușoară a materialelor care interacționează cu lumina răsucită, oferind noi instrumente pentru viziunea artificială și producția de medicamente.

În timp ce biologia este plină de structuri răsucite precum ADN-ul, cunoscute sub numele de structuri chirale, gradul de răsucire este blocat – încercarea de a o schimba rupe structura. Acum cercetătorii pot proiecta gradul de torsiune.

Astfel de materiale ar putea permite roboților să navigheze cu precizie în medii umane complexe. Structurile răsucite ar codifica informații în formele undelor de lumină reflectate de la suprafață, mai degrabă decât aranjarea 2D a simbolurilor care include majoritatea semnelor care pot fi citite de om. Acest lucru ar profita de un aspect al luminii pe care oamenii abia îl pot simți, cunoscut sub numele de polarizare. Nanostructurile răsucite reflectă de preferință anumite tipuri de lumină polarizată circular, o formă care se răsucește pe măsură ce călătorește prin spațiu.

„Este practic ca viziunea de polarizare la crustacee”, a spus Nicholas Kotov, profesor emerit la Universitatea Irving Langmuir în științe chimice și inginerie, care a condus studiul. „Ei colectează o mulțime de informații în ciuda mediilor întunecate”.

Roboții puteau citi semne care arată ca puncte albe pentru ochii umani; informația ar fi codificată în combinația de frecvențe reflectate, etanșeitatea răsucirii și dacă răsucirea a fost la stânga sau la dreapta.

Evitând utilizarea luminii naturale și ambientale, bazându-se în schimb pe lumina polarizată circular generată de robot, este mai puțin probabil ca roboții să rateze sau să interpreteze greșit un semnal, fie în medii luminoase sau întunecate. Materialele capabile să reflecte selectiv lumina răsucită, cunoscute sub numele de metamateriale chirale, sunt în general dificil de fabricat, dar nu și papion.

„Anterior, metasuprafețele chirale erau realizate cu mare dificultate folosind echipamente de milioane de dolari. Acum aceste suprafețe complexe cu utilizări multiple atractive pot fi imprimate ca o fotografie”, a spus Kotov.

Nanostructurile răsucite pot ajuta, de asemenea, la crearea condițiilor potrivite pentru a produce medicamente chirale, care sunt dificil de fabricat cu răsucirea moleculară potrivită.

„Ceea ce nu s-a văzut niciodată în niciun sistem chiral până acum este că putem controla răsucirea de la o structură stângă complet răsucită la o clătită plată la o structură dreaptă complet răsucită. Numim asta un continuum de chiralitate”, a spus Prashant. Kumar, un bursier postdoctoral UM în inginerie chimică și primul autor al studiului în Natură.

Kumar a testat papionul ca pe un fel de vopsea, amestecându-le cu acid poliacrilic și tamponându-le pe sticlă, țesătură, plastic și alte materiale. Experimentele cu lasere au arătat că această pictură reflectă lumina răsucită numai atunci când răsucirea luminii se potrivea cu răsucirea formei papionului.

Papioanele sunt realizate prin amestecarea cadmiului metalic și a cistinei, un fragment proteic disponibil în variante pentru stângaci și dreptaci, în apă cu leșie. Dacă cistina a fost în întregime stângaci, s-au format papion pentru stângaci, iar cistina dreaptă a rezultat în papion pentru dreptaci – fiecare cu o răsucire de înveliș de bomboane.

Dar cu diferite proporții de cistina pentru stângaci și dreptaci, echipa a făcut răsuciri intermediare, inclusiv clătită plată la un raport de 50-50. Pasul celor mai strânse papion, în esență lungimea unei viraj de 360 ​​de grade, este de aproximativ 4 microni – în intervalul de lungimi de undă a luminii infraroșii.

„Nu numai că știm evoluția de la scara atomică până la scara micron a papionului, dar avem și teorii și experimente care ne arată forțele călăuzitoare. Cu această înțelegere fundamentală, puteți proiecta o grămadă din alte particule.” a spus Thi Vo, un fost cercetător postdoctoral în inginerie chimică la UM.

El a lucrat cu Sharon Glotzer, co-autor corespondent al studiului și președinte al Departamentului de Inginerie Chimică Anthony C. Lembke de la UM.

Spre deosebire de alte nanostructuri chirale, care pot dura zile pentru a se auto-asambla, papionii s-au format în doar 90 de secunde. Echipa a produs 5.000 de forme diferite în spectrul papionului. Ei au studiat formele în detaliu atomic folosind raze X la Laboratorul Național Argonne înainte de analiza de simulare.

Analize materiale suplimentare și contribuții de teorie au fost furnizate de colaboratori de la UM, University of Pennsylvania, University of Palermo, Italia și Pro Vitam Ltd, România. Studiul a fost susținut de Oficiul de Cercetare Navală, Fundația Națională de Știință și Biroul de Cercetare a Armatei.

Kotov este, de asemenea, Joseph B. și Florence V. Cejka profesor de inginerie și profesor de inginerie chimică și știință și inginerie macromoleculară. Vo este acum profesor de inginerie chimică și biomoleculară la Universitatea Johns Hopkins. Glotzer este, de asemenea, profesor distins de inginerie la Universitatea John Werner Cahn, profesor colegial de inginerie chimică Stuart W. Churchill și profesor de știință și inginerie a materialelor, știință și inginerie macromoleculară și fizică.