突破手性结构的极限

　　密歇根大学领导的一个研究小组已经证明，由纳米粒子自我组装的微米级"领结"可以形成一系列精确控制的卷曲形状。这一进展为简单地创造与扭曲的光线相互作用的材料铺平了道路，从而带来在机器视觉和药品生产方面的新应用。

　　虽然生物学中充满了像DNA这样的扭曲结构，被称为手性结构，但扭曲的程度是被锁定的--试图改变它就会破坏结构。现在，研究人员可以对扭曲的程度进行设计。

　　这种材料可以使机器人准确地浏览复杂的人类环境。扭曲的结构将在从表面反射的光波的形状中编码信息，而不是在构成大多数人类阅读标志的二维符号排列中编码。这将利用人类几乎无法感知的光的一个方面，即所谓的偏振。扭曲的纳米结构会优先反射某些类型的圆偏振光，这种形状的光在空间中移动时会发生扭曲。

　　彩色电子显微镜图像中带有糖果包装纸扭曲的微米级蝴蝶结。控制卷曲的纳米结构材料的扭曲程度的能力可能是化学和机器视觉中的一个有用的新工具。

　　"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-朗缪尔大学化学科学与工程杰出教授尼古拉斯-科托夫说。"尽管环境很阴暗，但它们还是能接收到大量的信息。"

　　机器人可以读取在人眼里看起来像白点的标志；信息将被编码在反射的频率组合中，扭曲的松紧度，以及扭曲是左手还是右手。

　　通过避免使用自然光和环境光，而依靠机器人产生的圆偏振光，无论是在明亮还是黑暗的环境中，机器人都不太可能错过或误解一个提示。能够选择性地反射扭曲光线的材料，被称为手性超材料，通常很难制造，但领结却不是。

　　不同生长条件的阵列，从只用左手胱氨酸制成的左旋扭结，到用50-50混合制成的平底煎饼，再到只用右手胱氨酸制成的右手扭结。控制卷曲的纳米结构材料的扭曲程度的能力可能是化学和机器视觉的一个有用的新工具。资料来源：Prashant Kumar，密歇根大学Kotov实验室。

　　"以前，手性元表面的制作非常困难，需要使用价值数百万美元的设备。现在，这些具有多种诱人用途的复杂表面可以像照片一样被打印出来，"Kotov说。

　　扭曲的纳米结构也可能有助于创造正确的条件来生产手性药物，而用正确的分子扭曲来制造手性药物是具有挑战性的。

　　"以前在任何手性系统中没有看到的是，我们可以控制从完全扭曲的左手结构到平坦的煎饼再到完全扭曲的右手结构的扭曲度。我们把这称为手性连续体，"Prashant Kumar说，他是U-M化学工程的博士后研究员，也是《自然》杂志上这项研究的第一作者。

　　Kumar将这些领结作为一种涂料进行了测试，将它们与聚丙烯酸混合，并将它们点在玻璃、织物、塑料和其他材料上。用激光进行的实验表明，这种涂料只有在光线的扭曲度与领结形状的扭曲度相匹配时才会反射扭曲的光线。

　　蝴蝶结是由金属镉和胱氨酸混合而成的，胱氨酸是一种蛋白质片段，有左手和右手之分，在水中加入碱液。如果胱氨酸都是左手的，就会形成左手的领结，而右手的胱氨酸则产生右手的领结--每个都有一个糖果包装的扭曲。

　　但在左手和右手胱氨酸的不同比例下，研究小组做出了中间的扭曲，包括在50-50比例下的平底煎饼。最紧的蝴蝶结的间距，基本上是360度转弯的长度，大约是4微米长--在红外光的波长范围内。

　　"我们不仅知道从原子尺度一直到微米尺度的领结的进展，我们也有理论和实验向我们展示指导力量。有了这种基本的理解，你就可以设计出一堆其他的粒子，"Thi Vo说，他是U-M化学工程的前博士后研究员。

　　他与该研究的共同通讯作者、马里兰大学化学工程系主任Sharon Glotzer合作。

　　与其他手性纳米结构相比，这些领结可能需要几天的时间来自我组装，而这些领结只需90秒就能形成。该研究小组在领结光谱中产生了5000种不同的形状。在模拟分析之前，他们在阿贡国家实验室用X射线研究了这些形状的原子细节。