首次控制纳米结构颗粒的扭曲程度

由密歇根大学领导的一个研究小组表明，微米大小的“领结”由纳米颗粒自组装而成，形成各种不同的卷曲形状，可以精确控制。

这一发展为轻松生产与扭曲光相互作用的材料开辟了道路，为机器视觉和生产药物提供了新的工具。

虽然生物学充满了扭曲的结构，如DNA，称为手性结构，但扭曲的程度是锁定的 - 试图改变它破坏结构。现在，研究人员可以设计扭曲程度。

这些材料可以使机器人准确地驾驭复杂的人类环境。扭曲的结构将以从表面反射的光波形状编码信息，而不是以包含大多数人类阅读符号的符号的2D排列。这将利用人类几乎无法感知的光的一个方面，称为偏振。扭曲的纳米结构优先反射某些类型的圆偏振光，这种形状在空间中移动时会扭曲。

“这基本上就像甲壳类动物的偏振视觉，”领导这项研究的欧文·朗缪尔杰出大学化学科学与工程教授尼古拉斯·科托夫说。“尽管环境阴暗，他们还是收集了很多信息。

机器人可以读取人眼看起来像白点的标志;信息将以反射的频率、扭曲的紧密性以及扭曲是左手还是右手的组合进行编码。

通过避免使用自然光和环境光，而是依靠机器人产生的圆偏振光，机器人不太可能错过或误解提示，无论是在明亮还是黑暗的环境中。可以选择性反射扭曲光的材料，称为手性超材料，通常很难制造 - 但领结不是。

“以前，使用价值数百万美元的设备制造手性超表面非常困难。现在，这些具有多种有吸引力用途的复杂表面可以像照片一样打印，“科托夫说。

扭曲的纳米结构也可能有助于创造生产手性药物的合适条件，而手性药物很难用正确的分子扭曲制造。

“以前在任何手性系统中都没有看到的是，我们可以控制从完全扭曲的左手结构到扁平煎饼再到完全扭曲的右手结构的扭曲。我们称之为手性连续体，“密歇根大学化学工程博士后研究员，《自然》研究的第一作者Prashant Kumar说。

库马尔将领结作为一种油漆进行测试，将它们与聚丙烯酸混合并涂抹在玻璃、织物、塑料和其他材料上。激光实验表明，只有当光线中的扭曲与领结形状的扭曲相匹配时，这种涂料才会反射扭曲的光。

领结是通过混合镉金属和胱氨酸制成的，胱氨酸是一种蛋白质片段，有左手和右手版本，在掺有碱液的水中。如果胱氨酸都是左撇子，则形成左撇子领结，右撇子胱氨酸产生右撇子领结——每个领结都有一个糖果包装带。

但是，由于左撇子和右撇子胱氨酸的比例不同，该团队做出了中间的扭曲，包括50-50比例的扁平煎饼。最紧密的领结的节距，基本上是360度转弯的长度，长约4微米 - 在红外光的波长范围内。

“我们不仅知道从原子尺度一直到蝴蝶结微米尺度的进展，我们也有理论和实验向我们展示了指导力。有了这种基本的理解，你可以设计一堆其他粒子，“前UM化学工程博士后研究员Thi Vo说。

他与该研究的共同通讯作者Sharon Glotzer和密歇根大学化学工程系主任Anthony C. Lembke合作。

与其他手性纳米结构相比，手性纳米结构可能需要数天才能自组装，蝴蝶结在短短90秒内形成。该团队在领结谱中生产了5，000种不同的形状。在模拟分析之前，他们在阿贡国家实验室使用X射线研究了原子细节的形状。

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