ТПС: Квантовата връзка с молекулярното отклонение може да допринесе за развитието на чистите технологии, фармацевтиката и електрониката

Мистерията защо животът предпочита една молекулна „ръка“ пред нейното огледално изображение може да е по-близо до обяснение, основано на квантовата физика, а това в бъдеще би могло да повлияе на развитието на всички сфери от фармацевтиката до електрониката от следващо поколение, съобщи ТПС.
Ново израелско изследване предполага, че малко квантово свойство на електроните, известно като „спин“ (spin), може да помогне да се обясни защо биологията последователно използва само една версия на много молекули вместо техните огледални аналози.
Много биологични молекули съществуват в две огледални форми, наречени енантиомери. В стандартната химия и двете форми би трябвало да се държат еднакво и да се срещат в равни количества. Но в живите системи това не е така. Животът почти винаги използва само едната версия: аминокиселините обикновено са левовъртящи, докато захарите са десновъртящи. Този модел, известен като хомохиралност, озадачава учените повече от век.
Екип израелски изследователи, ръководен от проф. Йоси Палтиел от Еврейския университет в Йерусалим, установи, че отговорът може да се крие в начина, по който електроните се движат през тези молекули. Електроните притежават свойство, наречено спин, което влияе върху взаимодействието им с материята. Изследването установява, че когато електроните преминават през хирални молекули, техният спин се държи различно в зависимост от това с коя огледална форма взаимодействат.
Резултатите са публикувани в рецензираното научно списание „Сайънс Адвансес“ (Science Advances).
„Животът е хомохирален. Това не е тривиално, тъй като в стандартната химия получаването на двете огледални молекули има еднаква вероятност,“ заяви Палтиел пред ТПС. „Нашето изследване задава въпроса защо природата е хирална и как се нарушава симетрията. Настоящата статия предполага, че взаимодействията на електронния спин могат да обяснят и двата ефекта.“
Малките разлики в спина имат значение
Въпреки че двете версии на една молекула имат една и съща енергия при статични условия, те не се държат идентично по време на динамични процеси като пренос на електрони и химични реакции. Резултатите показват, че тези разлики могат да повлияят на ефективността, с която всяка форма участва в реакции, включващи електрони.
В дългосрочен план дори много малки разлики в ефективността могат да имат значение. Изследователите предполагат, че ако една молекулна форма последователно се представя дори малко по-добре при тези условия, тя постепенно може да стане доминираща. Това би могло да обясни как биологията е започнала да предпочита една „ръка“ на молекулите във всички известни форми на живот.
Резултатите съчетават теоретична работа, експериментални данни и изчисления на поведението на електроните в хирални системи. Те насочват към досега подценявана роля на квантовите ефекти в процеси, които са фундаментални за биологията.
Палтиел заяви пред агенцията, че изследването „има приложения в пазара на лекарства, зелената енергия и подобряването на проводниците за чип индустрията.“
Във фармацевтиката откритието може да помогне за подобряване на начина, по който се проектират и произвеждат лекарства. Много медикаменти съществуват в две огледални форми, но обикновено само едната е ефективна в човешкото тяло. Ако електронният спин влияе върху това коя молекулна форма става доминираща, може да стане възможно производството на правилната версия по-ефективно и с по-голяма прецизност.
В електрониката и полупроводниковите технологии резултатите могат да помогнат за справяне с едно от нарастващите предизвикателства в индустрията: управлението на топлината във все по-малки и по-мощни чипове. Изследването предполага, че материали с „хирални“ свойства, повлияни от електронния спин, могат да подобрят контрола върху топлината и електрическите сигнали. Палтиел добави, че тази идея вече се изследва комерсиално, като стартираща компания, свързана с изследването, работи върху „хирални покрития и хирални метали, които решават проблемите с управлението на топлината в полупроводниковата индустрия.“
В енергетиката и науката за материалите този механизъм може да доведе до нови начини за създаване на по-ефективни материали за химични реакции и пренос на енергия. Тъй като ефектът е свързан с начина, по който електроните се движат през материята, той може да помогне за подобряване на катализаторите и проводящите материали, използвани в редица технологии, включително системи за зелена енергия.
По-общо това подсказва промяна в подхода, при който учените могат да проектират материали не само въз основа на химичната структура, но и според начина, по който електронният спин взаимодейства с молекулната форма.
(Тази информация се разпространява по споразумение между БТА и ТПС)