Представьте себе левую и правую руку. Они зеркально отражают друг друга, но их не совместить: левая перчатка на правую руку не налезет. Это свойство называют хиральностью. В природе оно повсеместно: спирали ДНК закручены в одну сторону, раковины улиток тоже имеют «рукость». Оказывается, это свойство помогает природным полупроводникам очень эффективно переносить заряд и преобразовывать энергию — за счёт контроля над спином электронов и угловым моментом света.

Долгое время считалось, что многие полимеры (особенно те, что проводят ток) нейтральны по структуре, то есть у них нет этой самой «рукости». Но новое исследование показало: они могут самопроизвольно закручиваться в спиралевидные формы. Это поведение учёные упускали из виду десятилетиями, а теперь оно открывает дорогу к созданию нового класса энергоэффективной электроники — по образу и подобию живой природы.

Исследование провела команда из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, Технологического института Джорджии, Университета Северной Каролины и Университета Пердью. Результаты опубликовали в издании Journal of the American Chemical Society.

Руководитель проекта Ин Дяо, профессор химической и биомолекулярной инженерии Иллинойского университета, рассказывает:

Многие молекулы, без которых невозможна жизнь, — хиральны. Весь научный мир давно ломает голову над тем, как вообще возникает нарушение хиральной симметрии: то есть почему жизнь выбирает одну «рукость», а не другую. Наша работа как раз об истоках этого явления: почему „рукость“ возникает сама собой, если нет никаких хиральных подсказок.

Чтобы ответить на этот вопрос, учёные проверили 34 разных полимера. Каждый растворяли в растворителе, а потом постепенно увеличивали концентрацию, чтобы увидеть, происходит ли расслоение жидкости на две фазы (жидкость-жидкость). Если такое расслоение обнаруживалось, исследователи брали метод кругового дихроизма — он позволяет замерить, как вещество поглощает свет с разной поляризацией. Так выяснилась сильная связь между расслоением фаз и появлением хиральности. Это явление назвали спонтанным нарушением хиральной симметрии.

Оказалось, что примерно две трети полимеров (то есть 22–23 из 34) самопроизвольно закручивались в хиральные структуры, когда их концентрация в растворе росла.

Для нас это стало громом среди ясного неба, — говорит Ин Дяо. — Полимеры такого типа изучают уже полвека. Эти новые хиральные спиральные состояния материи, можно сказать, прятались у всех на виду.

Чтобы понять, почему одни полимеры становились хиральными, а другие нет, профессор химии Николас Джексон из Иллинойского университета применил машинное обучение. Он проанализировал молекулярные признаки для всей коллекции полимеров. Анализ, а потом и дополнительные тесты показали: у полимеров с более длинными молекулярными цепочками больше шансов собраться в хиральные структуры. А ещё исследователи неожиданно обнаружили, что присутствие атомов кислорода в боковых цепочках — тоже сильный предсказатель хирального поведения.

Джексон отмечает:

Машинное обучение помогло найти скрытые закономерности среди десятков полимеров, связав тонкие химические детали с образованием хиральной фазы. Вручную, просто на основе интуиции, такие вещи было бы очень сложно подметить.

Профессор Дяо подчёркивает: открытие не только углубляет фундаментальное понимание того, как возникает хиральность, но и сулит большую практическую пользу.

В природе хиральные системы — например, те, что работают в фотосинтезе — обеспечивают очень эффективный перенос электронов.

Если суметь подражать этому поведению, можно сильно улучшить работу электронных устройств и создать совершенно новые типы приборов.

Мы думаем использовать хиральность, чтобы управлять проводимостью, — объясняет Дяо. — Например, для прозрачных проводников в телефонах или для солнечных батарей, которые будут стабильнее и эффективнее. В наших компьютерах электроны мечутся туда-сюда, и перегрев — большая проблема. Но если сделать хиральные версии материалов, мы предполагаем, что перенос заряда станет чрезвычайно эффективным, как в природе.

Джон Рейнольдс, профессор химии Технологического института Джорджии и старший соавтор исследования, добавляет:

Хорошая новость в том, что это не конец истории. Наша работа дает ориентир для химиков-полимерщиков: они могут пересмотреть множество уже синтезированных полимеров и проектировать новые с улучшенными свойствами.

Для науки это как минимум переворот в привычном взгляде: полвека полимеры считались «нейтральными», а они оказались склонными к самозакручиванию. Теперь можно пересмотреть старые эксперименты и данные — возможно, хиральность влияла на результаты раньше, но её просто не замечали. Плюс исследователи получили чёткий инструмент: если у полимера длинные цепи и в боковых цепях есть атомы кислорода, стоит специально проверить его на спонтанное возникновение „рукости“.

В реальной жизни выгода может быть огромной. Современная электроника страдает от потерь энергии и нагрева. Представьте компьютер или смартфон, который почти не греется, потому что электроны движутся упорядоченно, как в природных системах фотосинтеза. Или солнечные батареи, которые дольше служат и дают больше тока при том же освещении. Прозрачные проводники для гибких дисплеев тоже можно сделать эффективнее. Фактически речь идёт о новом принципе управления движением зарядов — через «рукость» материала.

Исследование проведено тщательно, но остаётся открытым вопрос о масштабировании. Эксперименты шли в растворах, при контролируемом изменении концентрации. В реальных устройствах полимеры часто используют в виде тонких плёнок или твёрдых покрытий. Не факт, что спонтанное возникновение хиральности в растворе будет так же надёжно происходить в твёрдой фазе, особенно в условиях массового производства. Кроме того, из 34 полимеров примерно треть так и не показала «рукость» — авторы объясняют это свойствами цепочек, но точного порога или универсального правила, гарантирующего появление хиральности, пока не предложено. Без такого правила сложно переходить к промышленному дизайну материалов.

Ранее ученые открыли новую технологию для определения хиральности молекул.