Lewa rękawiczka i prawa rękawiczka są swoimi lustrzanymi odbiciami, ale nie da się ich na siebie dokładnie nałożyć. Podobnie jest ze śrubami, muszlami i wieloma cząsteczkami. Mogą występować w lewej i prawej wersji. Chemicy nazywają tę właściwość chiralnością. Takiej cechy nie miały cząsteczki badane przez zespół badaczy z Uniwersytetu w Aberdeen (Wielka Brytania), Uniwersytetu Warszawskiego oraz ośrodków w Mariborze i Lublanie (Słowenia). Każda z nich pasowała do własnego odbicia w lustrze. Można byłoby więc oczekiwać, że utworzony z nich materiał również nie będzie ani lewo-, ani prawoskrętny. Tymczasem po połączeniu wiele takich cząsteczek spontanicznie układało się w helisy. W jednym miejscu powstawała spirala skręcona w lewo, w innym – w prawo.

Badacze zajęli się ciekłymi kryształami – materiałami, które mogą płynąć jak ciecz, ale ich cząsteczki zachowują częściowe uporządkowanie. Zwykle ustawiają się one mniej więcej równolegle, podobnie jak zapałki unoszące się ciasno obok siebie na wodzie. Jeżeli jednak cząsteczki są lekko wygięte, takie proste ustawienie przestaje być najwygodniejsze. Kolejne z nich mogą obracać się odrobinę względem sąsiadek. Wystarczy powtarzać ten niewielki obrót, aby po wielu krokach powstała pełna helisa. Mimo więc, że same cząsteczki nie ustawiają się wzdłuż linii spiralnych, okazuje się, że zmienia się kierunek, w którym zwracają się w kolejnych warstwach materiału. Można to porównać do spiralnych schodów: każdy stopień jest niemal taki sam jak poprzedni, ale cała konstrukcja stopniowo zatacza okrąg.

Badacze przygotowali serię podobnych cząsteczek. Każda składała się z dwóch sztywniejszych części połączonych giętkim fragmentem. Naukowcy zmieniali długość końcowego łańcucha. Ta niewielka modyfikacja wystarczyła, aby całkowicie odmienić sposób układania się materiału. W zależności od długości łańcucha i temperatury powstawały helisy o bardzo różnych rozmiarach. Najkrótsze wykonywały pełny obrót na odcinku zaledwie kilku nanometrów. W innych materiałach krótka helisa sama podążała po większej spirali o okresie około 50 nanometrów. Była to helisa nałożona na drugą helisę – niepodobna jednak do podwójnej helisy DNA, lecz utworzona przez jednoczesne, szybkie i wolne obracanie się kierunku uporządkowania cząsteczek.

Największą niespodzianką była nowa struktura, w której cząsteczki częściowo wsuwały się pomiędzy sąsiadki z kolejnych warstw. Takie ciasne ułożenie utrudniało im obracanie się. Każda warstwa wykonywała więc tylko bardzo mały krok, a na pełny obrót potrzeba było ich znacznie więcej. Powstająca helisa miała okres około 1,5 mikrometra – setki razy większy od najkrótszych zaobserwowanych w tej samej rodzinie związków.

Skręt ujawniał się na kilka sposobów. Pod mikroskopem polaryzacyjnym widoczne były obszary obracające światło w przeciwnych kierunkach. Z kolei pomiary wykonane w ośrodku Diamond Light Source w Wielkiej Brytanii potwierdziły, że materiał inaczej pochłania światło spolaryzowane prawoskrętnie i lewoskrętnie. W końcu obraz z mikroskopu sił atomowych pokazał pasy odpowiadające długiej helisie. W jednej z próbek ogrzanie materiału powodowało nawet zmianę kierunku skrętu w obserwowanym obszarze.

Do rozpoznania krótszych struktur wykorzystano promieniowanie rentgenowskie w ośrodku Advanced Light Source w Berkeley, USA. Zwykłe badanie rentgenowskie pozwala zobaczyć odległości między warstwami, ale nie zawsze ujawnia kierunek ustawienia cząsteczek. Promieniowanie o starannie dobranej energii pozwoliło śledzić także ich orientację. Dzięki temu potwierdzono, że w części materiałów krótki obrót nakłada się na znacznie dłuższy.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-026-72565-8). W pracach uczestniczyli prof. Ewa Górecka, prof. Damian Pociecha, dr Magdalena Majewska i dr Grant Strachan z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.

Możliwość wybierania skali skrętu jest ważna, ponieważ od niej zależy sposób oddziaływania materiału ze światłem. Zdobyta wiedza może pomóc projektować ciekłe kryształy, które obracają polaryzację lub zmieniają właściwości optyczne pod wpływem temperatury i pola elektrycznego. Wiadomo, że skręt pojawia się samoistnie dopiero wtedy, gdy cząsteczki oddziałują między sobą.

Najciekawsza zagadka pozostaje jednak nadal nierozwiązana: jak identyczne cząsteczki wybierają kierunek skrętu?

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/