Wissenschaftler entdecken neues Phänomen der chiralen Symmetriebrechung
Ein neuartiger Festkörperübergang gibt Aufschluss über den Ursprung der Homochiralität
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Forscher der Universität Osaka haben eine neue Art der chiralen Symmetriebrechung (CSB) in einer organischen kristallinen Verbindung entdeckt. Dieses Phänomen, bei dem es sich um einen strukturellen Übergang von einem achiralen zu einem chiralen Kristall im festen Zustand handelt, stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Chiralität dar und bietet ein vereinfachtes Modell zur Untersuchung des Ursprungs der Homochiralität. Durch diese Umwandlung wird auch zirkular polarisierte Lumineszenz aktiviert, was neue optische Materialien mit abstimmbaren Lichteigenschaften ermöglicht.
Neuartige spontane Brechung der chiralen Symmetrie in einem Einkristall
Ryusei Oketani et al., Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal, Chemical Science 2025, Ryusei Oketani et al., Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal, Chemical Science
Chiralität oder "Händigkeit" ist eine grundlegende Eigenschaft von Objekten, von Galaxien bis hin zu Molekülen, und spielt eine entscheidende Rolle in biologischen Systemen. Chirale Verbindungen in lebenden Organismen, wie z. B. Zucker und Aminosäuren, kommen jedoch fast ausschließlich in einer einzigen Form vor. Dieses Phänomen, das als "biologische Homochiralität" bekannt ist, hat die Wissenschaftler lange Zeit vor ein Rätsel gestellt, und der zugrundeliegende Mechanismus ist nach wie vor unklar. Zu verstehen, wie die Bevorzugung einer chiralen Form gegenüber der anderen zustande kommt, ist entscheidend für das Verständnis des Ursprungs des Lebens selbst.
Bisher wurden zwei Arten von CSB-Phänomenen, die bevorzugte Anreicherung und die Viedma-Reifung, in Lösungen beobachtet. Die Komplexität dieser lösungsbasierten Systeme macht es jedoch schwierig, die genauen Mechanismen der CSB zu bestimmen. Die Entdeckung eines CSB im festen Zustand durch das Team der Universität Osaka bietet ein drastisch vereinfachtes Modell zur Untersuchung dieses Phänomens. Sie fanden heraus, dass ein chirales Phenothiazin-Derivat von einer achiralen kristallinen Form in eine chirale Form übergehen kann, wobei die Einkristallinität erhalten bleibt. Dieser Übergang beinhaltet die Umkehrung der molekularen Chiralität innerhalb des Kristallgitters ohne jeglichen äußeren Einfluss wie Lösungsmittel oder Verunreinigungen.
Dieses einzigartige Festkörper-CSB bietet erhebliche Vorteile für die Untersuchung der grundlegenden Prinzipien der chiralen Auswahl. Die Einfachheit des Systems ermöglicht eine detaillierte Strukturanalyse mit Techniken wie der Röntgenbeugung, so dass die Forscher die Molekularbewegungen während des Übergangs sichtbar machen können. Dies liefert wertvolle Einblicke in die Dynamik der CSB und könnte die zugrundeliegenden Mechanismen aufdecken, die für die Homochiralität in biologischen Systemen verantwortlich sind. Darüber hinaus löst der Übergang ein "Einschalten" der zirkular polarisierten Lumineszenz (CPL) aus, was Möglichkeiten für die Entwicklung neuer optischer Materialien mit schaltbaren CPL-Eigenschaften eröffnet.
Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis des Ursprungs der Homochiralität und ihrer Rolle bei der Entwicklung des Lebens. Darüber hinaus könnte diese Forschung den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien mit maßgeschneiderten chiralen Eigenschaften für Anwendungen in der Pharmazie, Elektronik und anderen Bereichen ebnen.
"Es ist faszinierend, wie sich das Leben aus nur einem Enantiomer von Aminosäuren zusammensetzt und wie sich diese Chiralität in unserem Körper manifestiert", so Dr. Ryusei Oketani von der Universität Osaka, der die Forschung leitete. "Diese Studie ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie chirale Moleküle zu einer bestimmten Form neigen und wie sich ihre zusammengesetzten Strukturen entwickeln. Auch wenn dies wie Grundlagenforschung aussieht, sind chirale Moleküle Schlüsselkomponenten für Arzneimittel und Materialien der nächsten Generation. Diese Arbeit bietet eine Grundlage für die effiziente Herstellung dieser wichtigen Substanzen."
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