کایرالیتی، اثر انگشت نانولوله ‏های کربنی

• کایرال و کایرالیتی: 
  كايرال از لحاظ لغوي به معناي چيزي است كه تصوير آن در آيينه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید. این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است، بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی‏توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد. بنابراین صفحه‏ ی تقارنی نیز برای این تصویر وجود ندارد و در تعریف کایرال می‏گنجد.

شکل 1- تصویری از یک الگوی کایرال

غالبا به جای کلمه‏ ی کایرال، کلمه‏ ی نامتقارن نیز به کار می‏ رود. کلمه‏ ی کایرال (chiral) از کلمه‏ ی یونانی ceir یا cheir به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه‏ ای از دست دیگر ما است (شکل 2). همان‏گونه که می‏ توانیم برای بسیاری از مولکول‏ های موجود در طبیعت، مولکول‏ هایی را بیابیم (با همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه‏ ای آن‏ها باشند.

شکل 2- همان‏گونه که مشاهده می‏ کنید، دست‏ها و پاهای ما کایرال هستند. یعنی هر یک از آن‏ها تصویر آیینه‏ای دیگری است به طوری که بر یک‏دیگر منطبق نیستند.

همان‏گونه که در شکل 3 مشاهده می‏ کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آن‏ها «انانتیومر» می‏ گوییم. این دو به نام‏ های (r)-آلانین و (s)-آلانین معروف هستند. در اینجا حرف s به کلمه‏ ی لاتین sinister به معنای چپ و r به کلمه‏ ی لاتین rectus به معنای راست اشاره دارد.

شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست‏ ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.

 هنگامی‏که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می‏ شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می آید که نیمی از آن‏ها از نوع (s) و نیمی از نوع (r) هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع بیشتر خواهد بود. یکی از روش‏ های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی، دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه‏ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می‏ شود. 
اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول‏ ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر هستند و نمی‏ توانند مولکول با تقارن آیینه‏ ای آن را بپذیرند. بنابراین برای این‏که یک ترکیب خاص شیمیایی مانند یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.

هم‏چنین دیده می‏ شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که تنها می‏ تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند این‏که ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش مجزا داشته باشیم. بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.

شکل 4: دست‏های سمت راست، نشان‏دهنده‏ ی کاتالیزگر و دست‏ های سمت چپ نشان‏دهنده‏ ی محصول واکنش هستند. این دو در تصویر بالایی برهم‏کنش بهتری دارند. هنگامی‏که دو نفر به هم دست می‏ دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت می‏ شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.

نکته‏ ی قابل توجه این است که انانتیومر‏های مختلف می‏ توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی تولید هر یک از آن‏ها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید. لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یک‏دیگر دارند.

شکل 5: (r)-لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی (s)-لایمونن بوی لیمو ایجاد می‏ کند.

با این‏که در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک‏دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده‏ های بینی ما بسیار دقیق‏ تر عمل می‏ کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می‏ رساند.

• نانولوله‏ های کربنی کایرال: 
  در مقالات قبلی با طرز تشکیل نانولوله‏ های کربنی با استفاده از یک لایه‏ ی گرافن آشنا شدید. هم‏چنین دانستید که هر یک از این نانولوله‏ های تک دیواره یک زاویه‏ ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می‏ توانیم معیاری برای سنجش مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه‏ ی کایرال و مولفه‏ های کایرال آن مشاهده می‏ کنید.

نوع نانولوله	نوع اول	نوع دوم	نوع سوم
تصویر نانولوله
اندیس کایرال (nوm)	m≠0, n=0	m=n≠0	m≠n
زاویه θ	0	°30	°30 > θ > 0

جدول 1: دسته‏ های مختلف نانولوله‏ های کربنی بر اساس کایرالیتی

مشاهده می‏ شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله‏ ی کربنی تفاوت‏ های زیادی با هم دارند. این تفاوت در نوع چیده شدن اتم‏ های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می‏ شود.

با توجه به تعریفی که از مولکول‏ های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می‏ شود که تصاویر آیینه‏ ای نانولوله‏ های نوع اول و نوع دوم بر خود آن‏ها منطبق است، اما در مورد نانولوله‏ های نوع سوم این انطباق وجود ندارد. بنابراین زوایای °0 و °30 زوایای خاصی هستند که نانولوله‏ های متقارن ایجاد می‏ کنند. 
 

نوع نانولوله	تصویر اصلی	تصویر آیینه‏ ای
نوع اول
نوع دوم
نوع سوم

جدول 2: تصاویر آیینه‏ ای انواع نانولوله‏ های کربنی

با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه‏ ای نانولوله‏ ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست. بنابراین به این مدل نانولوله‏ ی کربنی، نانولوله‏ ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می‏گوییم. با توجه به شکل ظاهری نانولوله‏ های نوع اول و دوم، آن‏ها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می‏ نامیم.