可旋光的手性太赫兹超分子

可旋光的手性太赫兹超分子

(上)光学可切换的手性太赫兹超分子的扫描电子显微镜图像,(下)紫色、蓝色和棕色代表不同层的金超原子结构,两个硅衬垫显示为绿色。(张等提供)

利用由纳米大小的金带和空气作为介质的太赫兹超材料,一组科学家创造出了第一个人工分子,它的手性可以通过一束光快速地从右手方向转换到左手方向。

一个包括美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)科学家在内的多机构研究小组创造了第一个人工分子,它的手性可以通过一束光迅速地从右手方向转变为左手方向。这为太赫兹技术在广泛领域的应用提供了潜在的重要可能性,包括减少数据处理、国土安全和超高速通信的能源消耗。

手性是指某些分子的明显的左/右取向或“手性”,这意味着分子可以采取两种镜像形式中的一种。这种分子的右旋和左旋形式称为“对映体”,可以表现出明显不同的性质。例如,手性分子柠檬烯的一种对映体闻起来像柠檬,另一种闻起来像橘子。利用太赫兹(万亿周/秒)电磁辐射来观察甚至改变分子的手性,在高科技世界是一项令人垂涎的资产。

“自然材料可以被诱导改变其手性,但涉及到材料结构变化的过程是微弱和缓慢的。通过我们的人工分子,我们已经证明了在光速下的强动态手性转换,”这项研究的领导者之一,伯克利实验室材料科学部的首席研究员张翔说。

Zhang和他的同事利用由纳米大小的金带和空气作为介质的太赫兹(THz)超材料,制作了一个精巧的人工手性分子,然后将其与光活性硅介质结合。通过外部光束对他们的超分子进行光激发,研究人员观察到以圆偏振光发射太赫兹光的形式旋向翻转。此外,光激发使这种手性翻转,并动态控制太赫兹光的圆偏振。

可光转换手性太赫兹超分子

原理图表明,手性开关超分子由四个具有四倍旋转对称性的手性谐振腔组成。外部的一束光立即将超分子的手性从右手性逆转为左手性。(张等提供)

张说:“与之前的演示不同,在超材料中,手性仅仅是通过光电刺激来打开或关闭,我们使用了一个光开关来逆转太赫兹超分子的手性。”

他是美国加州大学伯克利分校机械工程教授,同时也是纳米科学与工程中心的主任《自然通讯》上描述这项工作的论文。这篇论文的题目是“太赫兹手性超分子中的光诱导利手性切换”。其他通讯作者是张爽伯明翰大学以及美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的安托瓦内特·泰勒。

光学可切换的手性太赫兹超分子由一对手性相反的3D超原子组成,由精确结构的金条制成。每一元,原子作为一个耦合在电和磁响应之间的谐振器,在谐振频率产生强烈的手性和大的圆二色性。

“当两个具有相同形状但相反手性的手性变原子组合在一起形成一个超分子时,镜像对称性得以保留,导致旋光性消失,”张说。“从不同的角度来看,这两个手性相反的超原子所产生的旋光性会相互抵消。”

在超分子中的每个手性变原子中引入硅衬垫,但位置不同。在一个元原子中,硅衬垫桥接了两条金带,而在另一个元原子中,硅衬垫取代了部分金带。硅衬垫打破了镜像对称性,诱导了复合超分子的手性。这些衬垫也可以作为光电子开关,在光激发下翻转超分子的手性。

通讯作者张爽说:“我们的方案依赖于两个性质相反的元原子的组合,其中一个是有功能的,而另一个在感兴趣的频率范围内是不活跃的。通过适当的设计,这两个元原子对外部刺激的反应是相反的,也就是说,不活跃的原子变得有功能,反之亦然。”

太赫兹电磁辐射——也被称为t射线——在分子振动的频率范围内,使其成为分析有机和非有机材料化学成分的理想的无创工具。能够翻转手性超分子的手性,并控制太赫兹光的圆偏振,可以用于检测有毒和爆炸性化学物质,或用于无线通信和高速数据处理系统。因为大多数生物分子都是手性的,包括DNA,核糖核酸和蛋白质,以太赫兹为基础的偏振测量设备也将使医学研究人员和药物开发人员受益。

通讯作者Antoinette Taylor说:“我们可以在我们的超材料中设计出可切换的手性,这为制造在太赫兹频率下无法获得的高性能极化器件提供了可行的方法。”“这个频率范围特别有趣,因为它独特地揭示了物理现象的信息,比如生物相关分子之间或分子内部的相互作用。它可以控制新材料系统的电子状态,如回旋共振石墨烯和拓扑绝缘体”。

Taylor和她的合著者说,他们的可光学转换手性太赫兹超分子的一般设计原理不仅限于旋向转换,还可以应用于其他电磁特性的动态反转。

除了通讯作者,《自然通讯》论文的其他作者还有周江峰、Park Yong-Shik、rjunsuk Rho、Ranjan Singh、Sunghyun Nam、Abul Azad、Hou-Tong Chen和Xiaobo Yin。

这项研究主要由美国能源部科学办公室支持。

图片:张等人

1评论“可光转换手性太赫兹超分子”

  1. 可旋光性是否意味着旋光性?这些是对映体还是内聚体https://vidmate.bet/吗?

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