Nowa metoda separacji molekuł chiralnych w zależności od kierunku ich skręcenia
przy użyciu nanostruktur magnetycznych
 
 


 


Warszawa, 21 czerwca 2018

 

 

 

 

Nowa metoda separacji molekuł chiralnych w zależności od kierunku ich skręcenia przy użyciu nanostruktur magnetycznych

 

 

Międzynarodowy zespół naukowców, którego członkiem jest Profesor Lech Tomasz Baczewski z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie uzyskał przełomowe wyniki w dziedzinie z pogranicza chemii fizycznej i fizyki magnetyzmu, które zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie SCIENCE.

Badania dotyczyły nowej metody separacji enancjomerów poprzez oddziaływania pomiędzy molekułami chiralnymi i cienką warstwą magnetyczną z anizotropią prostopadłą. Separowanie enancjomerów (mieszaniny prawoskrętnych i lewoskrętnych molekuł chiralnych) jest bardzo istotnym zagadnieniem dla chemików, biologów, a także dla przemysłu farmaceutycznego.

W poprzednich pracach członków tego zespołu naukowców [1,2] opisano mechanizm CISS (chiral-induced spin selectivity), który pozwala na reorientacja kierunku namagnesowania w ferromagnetykach realizowaną tylko przez adsorpcję molekuł chiralnych bez przyłożenia prądu elektrycznego ani pola magnetycznego. Dzięki spinowo selektywnemu transferowi elektronów poprzez warstwę zaadsorbowanych molekuł do znajdującego się poniżej ferromagnetyka, staje się on także spolaryzowany spinowo, co wyznacza kierunek namagnesowania.

Kolejnym etapem badan było odkrycie nowego, bardzo ważnego zjawiska tzn. możliwości separowania enancjomerów przez cienka warstwę ferromagnetyka z namagnesowaniem prostopadłym do powierzchni. Okazało się, że redystrybucja ładunku w molekule chiralnej powoduje zależność orientacji spinowej od kierunku skręcenia molekuły czyli tzw. enenatiospecific spin orientation preference. Wykorzystano tu zjawisko odwrotne do pokazanego w poprzednich pracach czyli indukowano konkretną polaryzację spinową w nanostrukturze ferromagnetycznej z anizotropią prostopadłą i adsorbowano na niej molekuły chiralne.

Zaobserwowano, że molekuły o jednym kierunku skręcenia są adsorbowane znacznie szybciej, gdy kierunek magnetyzacji warstwy ferromagnetycznego kobaltu jest skierowany w górę, a molekuły o odwrotnym kierunku skręcenia adsorbują szybciej dla kierunku magnetyzacji skierowanego do dołu. W prezentowanej metodzie ta separacja nie następuje wskutek działania pola magnetycznego, tylko poprzez kwantowe oddziaływania spinowo-wymienne (spin-exchange interaction) molekuł chiralnych z nanostruktura ferromagnetyczną, na której zostały one zaadsorbowane.

Jak ważne jest zagadnienie separacji enacjomerów dla przemysłu farmaceutycznego pokazuje tragiczna historia leku na ból głowy i nudności o nazwie Thalidomid w połowie XX wieku. Dopiero po całej serii krytycznych, negatywnych skutków ubocznych tego leku stwierdzonych u pacjentek w ciąży i urodzonych przez nie dzieci z poważnymi wadami rozwojowymi, podjęte intensywne badania pokazały, że prawoskrętne molekuły chiralne są bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego, podczas gdy te same molekuły ale lewoskrętne stanowią efektywny lek. Od tego czasu przeznaczono ogromne środki finansowe na opracowanie skutecznej metody separacji enacjomerów czyli oddzielenie molekuł lewoskrętnych od prawoskrętnych. W pracy opublikowanej w Science autorzy po raz pierwszy pokazali, że takiej skutecznej separacji enacjomerów można dokonać przy zastosowaniu specjalnie przygotowanej nanostruktury magnetycznej. Pokazano, że obserwowany efekt separacji nie zależy od typu molekuł stwierdzono taką samą efektywność separacji zarówno dla aminokwasów, oligopeptydów, a także dla struktur DNA. Ta uniwersalność stanowi niezmiernie ważną zaletę tej metody dla przemysłu farmaceutycznego, gdyż pozwala na zastąpienie obecnie stosowanych, bardzo kosztownych kolumn separacyjnych, które w dodatku muszą być konstruowane oddzielnie dla każdego typu molekuł.

Członkami międzynarodowego zespołu autorów pracy w Science są obok profesora dr hab. Lecha Tomasza Baczewskiego z IF PAN są także badacze z renomowanych ośrodków naukowych w Izraelu: (prof. Ron Naaman, Instytut Weizmann'a i prof. Yossi Paltiel Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie), oraz z RFN i USA (prof. Stuart Parkin, Instytut Max'a Plancka w Halle oraz Laboratorium IBM w Almaden, CA, USA).

Praca została dodatkowo wyróżniona przez wcześniejsze opublikowanie jej on-line w Science First Release (DOI: 10.1126/science.aar4265) w dniu 10 maja 2018. Do tego wydania redakcja wybiera kilka najważniejszych jej zdaniem artykułów i publikuje je on-line przed ukazaniem się danego numeru czasopisma Science, w którym będzie regularna publikacja pracy.

Druk artykułu nastąpił w dniu 22 czerwca 2018:
Separation of enantiomers by their enantiospecific interaction with achiral magnetic substrates
Science, Vol. 360, Issue 6395, pp. 1331-1334, 22 June 2018, DOI: 10.1126/science.aar4265
http://science.sciencemag.org/content/360/6395/1331

 

 

 

PRACE NAUKOWE:

 

[1] "Local Light-Induced Magnetization Using Nanodots and Chiral Molecules",
      O. Ben Dor, N. Morali, S. Yochelis, L. T. Baczewski and Y. Paltiell,
      Nano Letters, 14, 11, 6049 (2014).

[2] "Magnetization Switching in Ferromagnets by Adsorbed Chiral Molecules without current or external magnetic field",
      Oren Ben Dor, Shira Yochelis, Anna Radko, Kiran Vankayala, Eyal Capua, Amir Capua, See-Hun Yang, Lech Tomasz Baczewski, Stuart Parkin, Ron Naaman
      and Yossi Paltiel,
      NATURE Comm. 8, 14567, (2017), DOI: 10.1038/ncomms14567.

 

 

 

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

 

       prof. dr hab. Lech Tomasz Baczewski

       Instytut Fizyki, Polska Akademia Nauk

       tel. +48 22 116 3320

       email: bacze@ifpan.edu.pl