Исследователи из Японии (Shiga University of Medical Science) изобрели метод разделения стереоизомеров нанотрубок с помощью химического «нанопинцета».

Этот метод является важным шагом на пути к использованию оптически активных нанотрубок в таких областях, как нано- и оптоэлектроника.

С помощью современных методов синтеза однослойных углеродных нанотрубок возможно приготовить лишь смесь, содержащую в равных пропорциях лево- и право-спиральные нанотрубки. Ранее были предложены способы сортировки нанотрубок по диаметру и длине, но разделение различных хиральностей (оптических или стереоизомеров) являлось труднорешаемой задачей.

Рис. 1: Хиральные нанопинцеты, используемые для разделения оптических изомеров углеродных нанотрубок. Все четыре оптически активных центра в каждой молекуле имеют одинаковую конфигурацию (R или S). Молекулы ®-1 и (S)-1 являются зеркальными отражениями друг друга. Фениловые группы обозначены как ‘Ph’, а терц-бутиловые – как ‘t-Bu’

Впервые разделение хиральных (от греческого слова «рука» – объект, который не тождественен своему зеркальному отражению) молекул было осуществлено Луи Пастером в 1849 году. Он отделял асимметричные кристаллы виннокаменной кислоты вручную, используя пинцет и микроскоп. Следуя подобным принципам, Наоки Коматсу с коллегами разработали «нанопинцет», способный различать хиральные изомеры нанотрубок. Он состоит из двух связанных порфириновых циклов, соединённых мостиками-разделителями (Рис. 1).

Рис. 2: Схема процесса разделения смеси нанотрубок на лево- и право-спиральные. (а) Смесь нанотрубок растворяется в метаноле с «нанопинцетом» (S)-1. (b) После обработки ультразвуком часть нанотрубок образует комплексы с молекулами бипорфирина (структуры комплексов получены методом молекулярной механики). (с) После центрифугирования и отделения лёгкой фракции молекулы «нанопинцета» удаляют с помощью растворителя. В результате получается смесь нанотрубок, в которой большинство относится к правой спиральности

Метод работает по принципу молекулярного распознавания. Бипорфириновые молекулы имеют различное сродство к лево- и правовращательным изомерам нанотрубок и образуют с ними комплексы с различной устойчивостью, которые легко могут быть разделены. После разделения бипорфирины удаляются, а на руках у исследователей остаются образцы, обогащённые лево- или право-спиральными нанотрубками (Рис. 2).

Полученные таким способом образцы оптически активны – они по-разному поглощают свет с круговой поляризацией, в то время как исходная смесь одинаково сильно поглощает свет с правой и левой поляризациями. Подобные методы разделения нанотрубок позволят лучше понимать и контролировать их оптические свойства. Это является важным шагом на пути к приложениям нанотрубок в фотонике и квантовой оптике.

Василий Артюхов