密歇根大學領導的一個研究小組已經證明，由納米粒子自我組裝的微米級”領結”可以形成一系列精確控制的捲曲形狀。這一進展為簡單地創造與扭曲的光線相互作用的材料鋪平了道路，從而帶來在機器視覺和藥品生產方面的新應用。

雖然生物學中充滿了像DNA這樣的扭曲結構，被稱為手性結構，但扭曲的程度是被鎖定的–試圖改變它就會破壞結構。現在，研究人員可以對扭曲的程度進行設計。

這種材料可以使機器人準確地瀏覽複雜的人類環境。扭曲的結構將在從表面反射的光波的形狀中編碼信息，而不是在構成大多數人類閱讀標誌的二維符號排列中編碼。這將利用人類幾乎無法感知的光的一個方面，即所謂的偏振。扭曲的納米結構會優先反射某些類型的圓偏振光，這種形狀的光在空間中移動時會發生扭曲。

彩色電子顯微鏡圖像中帶有糖果包裝紙扭曲的微米級蝴蝶結。控製卷曲的納米結構材料的扭曲程度的能力可能是化學和機器視覺中的一個有用的新工具。

“這基本上就像甲殼類動物的偏振視覺，”領導這項研究的歐文-朗繆爾大學化學科學與工程傑出教授尼古拉斯-科托夫說。”儘管環境很陰暗，但它們還是能接收到大量的信息。”

機器人可以讀取在人眼裡看起來像白點的標誌；信息將被編碼在反射的頻率組合中，扭曲的鬆緊度，以及扭曲是左手還是右手。

通過避免使用自然光和環境光，而依靠機器人產生的圓偏振光，無論是在明亮還是黑暗的環境中，機器人都不太可能錯過或誤解一個提示。能夠選擇性地反射扭曲光線的材料，被稱為手性超材料，通常很難製造，但領結卻不是。

不同生長條件的陣列，從只用左手胱氨酸製成的左旋扭結，到用50-50混合製成的平底煎餅，再到只用右手胱氨酸製成的右手扭結。控製卷曲的納米結構材料的扭曲程度的能力可能是化學和機器視覺的一個有用的新工具。資料來源：Prashant Kumar，密歇根大學Kotov實驗室。

“以前，手性元表面的製作非常困難，需要使用價值數百萬美元的設備。現在，這些具有多種誘人用途的複雜表面可以像照片一樣被打印出來，”Kotov說。

扭曲的納米結構也可能有助於創造正確的條件來生產手性藥物，而用正確的分子扭曲來製造手性藥物是具有挑戰性的。

“以前在任何手性系統中沒有看到的是，我們可以控制從完全扭曲的左手結構到平坦的煎餅再到完全扭曲的右手結構的扭曲度。我們把這稱為手性連續體，”Prashant Kumar說，他是UM化學工程的博士後研究員，也是《自然》雜誌上這項研究的第一作者。

Kumar將這些領結作為一種塗料進行了測試，將它們與聚丙烯酸混合，並將它們點在玻璃、織物、塑料和其他材料上。用激光進行的實驗表明，這種塗料只有在光線的扭曲度與領結形狀的扭曲度相匹配時才會反射扭曲的光線。

蝴蝶結是由金屬鎘和胱氨酸混合而成的，胱氨酸是一種蛋白質片段，有左手和右手之分，在水中加入鹼液。如果胱氨酸都是左手的，就會形成左手的領結，而右手的胱氨酸則產生右手的領結–每個都有一個糖果包裝的扭曲。

但在左手和右手胱氨酸的不同比例下，研究小組做出了中間的扭曲，包括在50-50比例下的平底煎餅。最緊的蝴蝶結的間距，基本上是360度轉彎的長度，大約是4微米長–在紅外光的波長范圍內。

“我們不僅知道從原子尺度一直到微米尺度的領結的進展，我們也有理論和實驗向我們展示指導力量。有了這種基本的理解，你就可以設計出一堆其他的粒子，”Thi Vo說，他是UM化學工程的前博士後研究員。

他與該研究的共同通訊作者、馬里蘭大學化學工程系主任Sharon Glotzer合作。

與其他手性納米結構相比，這些領結可能需要幾天的時間來自我組裝，而這些領結只需90秒就能形成。該研究小組在領結光譜中產生了5000種不同的形狀。在模擬分析之前，他們在阿貢國家實驗室用X射線研究了這些形狀的原子細節。