Учёные научились контролировать хиральность неорганических кристаллов с помощью органических растворителей

Хиральность, или «киральность», часто описываемая как «зеркальная асимметрия» или «рукость», является фундаментальным свойством природы, лежащим в основе поведения молекул от ДНК до фармацевтических препаратов. Хотя химики давно умеют разделять лево- и правовращающие формы органических соединений, достижение такого же контроля над неорганическими кристаллами оставалось серьёзной научной проблемой.

Добавление органических растворителей в раствор для кристаллизации позволило хиральному неорганическому соединению — хлориду цезия-меди (CsCuCl₃) — образовывать кристаллы исключительно одной «рукости» (энантиомерно чистые). Среди протестированных смешиваемых с водой органических растворителей особенно эффективными оказались этиленгликоль и 1-пентанол, что привело к формированию лево- и правовращающих кристаллов. Когда ахиральный кристалл Cs₃Cu₃Cl₈(OH) использовался в качестве затравки, на его поверхности росли гомохиральные кристаллы CsCuCl₃, демонстрируя, что хиральные кристаллы можно получать даже с ахиральным шаблоном. Авторы: Иномата и др.

Достижение контроля над хиральностью в неорганических кристаллах

Исследователи из Университета Кумамото продемонстрировали простой и эффективный способ управления «рукостью» неорганического кристалла с использованием органических растворителей и неожиданного кристаллического «помощника» — ахиральной кристаллической фазы. Их исследование, опубликованное в журнале Crystal Growth & Design, показывает, что хлорид цезия-меди (CsCuCl₃), известный своими уникальными магнитными и оптическими свойствами, можно кристаллизовать в формы с одной «рукостью» в относительно мягких условиях.

В норме CsCuCl₃, выращенный из воды, образует рацемические двойниковые кристаллы — сростки как лево-, так и правовращающих доменов, — что затрудняет выделение единственной хиральной формы. Исследовательская группа обнаружила, что добавление небольших количеств органических растворителей, таких как этиленгликоль или 1-пентанол, кардинально меняет процесс кристаллизации. В этих условиях CsCuCl₃ формирует энантиомерно чистые монокристаллы, содержащие только одну «рукость».

Детальный структурный анализ показал, что органические растворители изменяют характер роста кристалла, подавляя рост в определённых направлениях и предотвращая смешение противоположных хиральных доменов. Кроме того, исследователи обнаружили, что во время кристаллизации может появляться ахиральная кристаллическая фаза Cs₃Cu₃Cl₈(OH). Примечательно, что когда этот ахиральный кристалл использовался в качестве затравки, он индуцировал рост гомохирального CsCuCl₃ на своей поверхности.

Значение для материаловедения и технологий

Возможность получения гомохирального CsCuCl₃ особенно важна, поскольку этот материал проявляет магнитохиральные и квантовые магнитные свойства, которые сильно зависят от его «рукости». Помимо этого конкретного соединения, результаты исследования предлагают широко применимую стратегию для управления хиральностью в неорганических материалах с помощью выбора растворителя и путей кристаллизации.

Исследование даёт новое понимание того, как тонкие изменения в условиях роста кристаллов могут приводить к нарушению симметрии в твёрдых материалах — достижение, которое может способствовать будущим разработкам в области функциональных материалов, спинтроники и технологий хирального разделения.

Источник: Kumamoto University

Интересный факт: Хиральность играет ключевую роль в биологии — все аминокислоты в белках живых организмов являются «левыми» (L-форма), а сахара в ДНК и РНК — «правыми» (D-форма). Это свойство, известное как гомохиральность жизни, до сих пор является одной из неразгаданных загадок происхождения жизни на Земле.