Vědci mechanickým napětím vyvolali chiralitu v nechirálních krystalech

Vědci z Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) a Univerzity v Oxfordu přišli s objevem, který by mohl proměnit způsob, jakým fyzikové a materiáloví inženýři přistupují k návrhu nových typů elektronických a optických zařízení. Podle jejich zjištění lze mechanickým napětím vyvolat chiralitu v krystalech, které jsou ve svém přirozeném stavu nechirální. Výsledky výzkumu byly zveřejněny v prestižním časopise Nature.

Chiralita je vlastnost, díky níž se objekt nedá ztotožnit se svým zrcadlovým obrazem – podobně jako lidská levá a pravá ruka. V přírodě se s tímto jevem setkáváme na mnoha úrovních, od molekul až po krystalické struktury, a právě chiralita hraje klíčovou roli v celé řadě fyzikálních a chemických procesů. Dosud se však mělo za to, že materiály, které jsou svou strukturou symetrické a chiralitu nevykazují, tuto vlastnost jednoduše postrádají a nelze ji u nich uměle navodit bez zásadní změny jejich chemického složení nebo krystalové mřížky.

Nová studie ukazuje, že tomu tak být nemusí. Tým vědců z MPSD a Oxfordu prokázal, že pouhé mechanické namáhání – tedy aplikace vhodně směrovaného stresu na krystal – dokáže v původně nechirálním materiálu vyvolat chirální uspořádání. Jinými slovy, deformace struktury způsobená vnějším tlakem nebo tahem může narušit symetrii krystalu natolik, že se v něm objeví vlastnosti typické pro chirální systémy, aniž by bylo nutné měnit samotné chemické složení látky.

Tento poznatek má podle výzkumníků zásadní praktický význam. Pokud lze chiralitu „zapnout“ pomocí mechanického stresu, otevírá se cesta k jejímu řízení na vyžádání – tedy k situaci, kdy by bylo možné chirální vlastnosti materiálu aktivovat, měnit nebo případně opět potlačit podle konkrétních potřeb dané aplikace. Taková kontrola nad chiralitou by mohla najít využití v celé řadě oblastí, od vývoje nových typů senzorů až po pokročilé optické a elektronické komponenty.

Zvláště zajímavá je možnost, kterou vědci označují jako otiskování chirálních elektronických vlastností. Tímto termínem se rozumí přenesení chirální charakteristiky prostřednictvím mechanického napětí na materiál a její následné zakomponování do jeho elektronických vlastností. To by v praxi mohlo znamenat vznik nových typů elektronických komponent, jejichž chování by bylo přímo definováno indukovanou chiralitou – například v souvislosti s tím, jak materiál vede elektrický proud nebo jak reaguje na polarizované světlo.

Výzkum tak naznačuje, že hranice mezi chirálními a nechirálními materiály není tak pevná, jak se dosud předpokládalo. Mechanický stres se ukazuje jako nástroj, který dokáže tuto hranici překročit a vytvořit v materiálu vlastnosti, které by za normálních okolností neexistovaly. Pro vědeckou komunitu to představuje nový směr bádání, protože doposud se chiralita v pevných látkách zkoumala převážně jako pevně daná strukturní charakteristika, nikoli jako proměnlivá vlastnost, kterou lze externě indukovat a modulovat.

Autoři studie zdůrazňují, že jde o objev se širokým potenciálem uplatnění napříč fyzikou kondenzovaných látek i materiálovým inženýrstvím. Schopnost cíleně vytvářet a kontrolovat chiralitu v materiálech, které by jinak žádnou takovou vlastnost nevykaz