Учёные открыли новый тип нарушения хиральной симметрии в кристаллах

Новое спонтанное нарушение хиральной симметрии в монокристалле. Автор: Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal, Chemical Science 2025, Рюсэй Окетани и др.

Исследователи из Университета Осаки обнаружили новый тип нарушения хиральной симметрии (CSB) в органическом кристаллическом соединении.

Это явление, связанное с переходом из ахирального в хиральное кристаллическое состояние в твёрдой фазе, представляет собой значительный прорыв в понимании хиральности и предлагает упрощённую модель для изучения происхождения гомохиральности. Это превращение также активирует циркулярно-поляризованную люминесценцию, открывая путь к созданию новых оптических материалов с настраиваемыми свойствами света.

Работа была опубликована в журнале Chemical Science.

Хиральность, или «зеркальная асимметрия», является фундаментальным свойством объектов — от галактик до молекул — и играет ключевую роль в биологических системах. Однако хиральные соединения в живых организмах, такие как сахара и аминокислоты, существуют почти исключительно в одной форме.

Это явление, известное как «биологическая гомохиральность», долгое время озадачивало учёных, и его основной механизм остаётся неясным. Понимание того, как возникает предпочтение одной хиральной формы над другой, имеет решающее значение для осмысления самого происхождения жизни.

Ранее два типа явлений CSB, preferential enrichment и Viedma ripening, наблюдались в растворах. Однако сложность этих систем на основе растворов затрудняет точное определение механизмов, управляющих CSB.

Обнаружение CSB в твёрдом состоянии командой Университета Осаки предоставляет кардинально упрощённую модель для изучения этого явления. Они обнаружили, что хиральное производное фенотиазина может переходить из ахиральной кристаллической формы в хиральную, сохраняя монокристалличность. Этот переход включает инверсию молекулярной хиральности внутри кристаллической решётки без какого-либо внешнего влияния, такого как растворители или примеси.

Структурный переход под поляризационным микроскопом и предполагаемый механизм перехода. Автор: 2025, Рюсэй Окетани и др., Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal, Chemical Science

Это даёт ценные сведения о динамике CSB, потенциально раскрывая лежащие в основе механизмы, ответственные за гомохиральность в биологических системах. Более того, переход запускает «включение» циркулярно-поляризованной люминесценции (CPL), открывая возможности для разработки новых оптических материалов с переключаемыми свойствами CPL.

Это открытие имеет глубокие последствия для понимания происхождения гомохиральности и её роли в развитии жизни. Кроме того, это исследование может проложить путь к разработке передовых материалов с заданными хиральными свойствами для применения в фармацевтике, электронике и других областях.

«Завораживает, как жизнь состоит только из одного энантиомера аминокислот и как эта хиральность проявляется в наших телах», — заявил доктор Рюсэй Окетани из Университета Осаки, руководивший исследованием.

«Это исследование представляет собой важный шаг к пониманию того, как хиральные молекулы становятся смещёнными в сторону одной формы и как развиваются их собранные структуры. Хотя это кажется фундаментальным исследованием, хиральные молекулы являются ключевыми компонентами фармацевтических препаратов и материалов следующего поколения. Эта работа закладывает основу для эффективного производства этих важнейших веществ».

Больше информации: Рюсэй Окетани и др., Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/D5SC02623G

Источник: University of Osaka