Międzynarodowy zespół naukowców, którego członkiem jest prof. Lech Tomasz Baczewski z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie, opracował nową metodę separacji molekuł chiralnych. Wyniki prac zostały opublikowane w najnowszym numerze „Science”.
W poprzednich pracach członków tego zespołu naukowców opisano mechanizm CISS (chiral-induced spin selectivity), który pozwala na reorientację 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 badań było odkrycie nowego, bardzo ważnego zjawiska, tzn. możliwości separowania enantiomerów przez cienką 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 nanostrukturą ferromagnetyczną, na której zostały one zaadsorbowane.
To niezwykle ważne zagadnienie dla przemysłu farmaceutycznego. W połowie XX w. na rynku był lek na bóle głowy i nudności o nazwie Thalidomid. Okazało się, że ma bardzo negatywne skutki uboczne. Biorące go kobiety w ciąży rodziły dzieci z poważnymi wadami rozwojowymi. Badania pokazały, że prawoskrętne molekuły chiralne są bardzo niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego, podczas gdy te same molekuły, ale lewoskrętne, stanowią efektywny lek. Podjęto zatem badania nad skuteczną metodą separacji enantiomerów, czyli oddzielenie molekuł lewoskrętnych od prawoskrętnych. W pracy opublikowanej w „Science” autorzy po raz pierwszy pokazali, że takiej skutecznej separacji enantiomerów 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 i oligopeptydów, a także dla struktur DNA. Ta uniwersalność stanowi zaletę 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.
Artykuł Separation of enantiomers by their enantiospecific interaction with achiral magnetic substrates, omawiający wyniki prac międzynarodowego zespołu, został opublikowany 22 czerwca w „Science”.
Członkami zespołu autorów, obok profesora dr. hab. Lecha Tomasza Baczewskiego z IF PAN, są także badacze z renomowanych ośrodków: prof. Ron Naaman z Instytut Weizmanna, prof. Yossi Paltiel z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, prof. Stuart z Instytutu Maxa Plancka w Halle oraz Laboratorium IBM w Almaden, CA. Praca została dodatkowo wyróżniona przez wcześniejsze opublikowanie jej on-line w „Science First Release” 10 maja 2018.
JK
(Źródło: IF PAN)