Een licht schijnen op moleculen: L-vormige metamaterialen kunnen de lichtrichting regelen

Gepolariseerde lichtgolven draaien met de klok mee of tegen de klok in terwijl ze zich voortbewegen, waarbij de ene richting zich anders gedraagt ​​dan de andere als deze in wisselwerking staat met moleculen. Deze directionaliteit, chiraliteit of handigheid genoemd, zou een manier kunnen bieden om specifieke moleculen te identificeren en te sorteren voor gebruik in biomedische toepassingen, maar onderzoekers hebben tot nu toe beperkte controle gehad over de richting van de golven.

Met behulp van metamaterialen heeft een team van elektrotechnische onderzoekers van Penn State en de Universiteit van Nebraska-Lincoln (UNL) een ultradun optisch element gecreëerd dat de richting van gepolariseerde elektromagnetische lichtgolven kan bepalen. Met deze nieuwe controle kunnen onderzoekers niet alleen de chiraliteit van het licht sturen, maar ook de chiraliteit van moleculen identificeren door te bepalen hoe gepolariseerd licht ermee interageert.

Het identificeren van de chiraliteit van moleculen kan cruciale informatie onthullen over hoe ze zullen interageren met andere systemen, zoals of specifieke medicijnen zullen helpen ziek of beschadigd weefsel te genezen zonder gezonde cellen te beschadigen. De onderzoekers hebben hun rapport gepubliceerd bevindingen in Natuurcommunicatie.

Chiraliteit verwijst naar spiegelbeelden, zoals linker- en rechterhand die samenkomen in een handdruk, legt Christos Argyropoulos uit, universitair hoofddocent elektrotechniek aan Penn State en co-corresponderende auteur op het papier. In de natuurkunde beïnvloedt chiraliteit onder andere de richting waarin lichtgolven draaien.

Argyropoulos en zijn collega’s vervaardigden een optisch element, vergelijkbaar met een glasplaatje, dat gebruik maakt van een woud van kleine, antenne-achtige nanostaafjes die samen een metamateriaal creëren – of materiaal dat is ontworpen om specifieke eigenschappen te hebben die normaal gesproken niet in de natuur voorkomen – dat in staat is om de spin te beheersen. van licht. De nanostaafjes van het metamateriaal lijken de vorm van de letter te hebben “L” gezien op nanoschaal.

“Wanneer de interactie tussen licht en materie wordt gemedieerd door de metamaterialen, kun je een molecuul in beeld brengen en de chiraliteit ervan identificeren door te inspecteren hoe chiraal licht ermee interageert.” zei Argyropoulos.

Onderzoekers van UNL gebruikten een opkomende fabricagebenadering, genaamd ‘kijkhoekdepositie’, om het optische element uit silicium te vervaardigen.

“Silicium verdrijft het invallende licht dat problematisch was bij metaal, dat we gebruikten bij eerdere pogingen om het element te maken, niet substantieel.” zei Ufuk Kilic, onderzoeksprofessor bij UNL en co-corresponderende auteur van het artikel. “En met silicium konden we de vorm en lengte van de nanopilaren op het platform aanpassen, waardoor we de manier waarop we het licht controleren, konden veranderen.”

Het identificeren van de chiraliteit van moleculen kan verreikende gevolgen hebben in de biogeneeskunde, vooral in farmaceutische geneesmiddelen, die soms rechts- of linkshandige chiraliteit hebben, legde Argyropoulos uit. Hoewel een rechtshandige moleculaire structuur effectief kan zijn bij de behandeling van ziekten, kan hetzelfde molecuul met een linkshandige structuur giftig zijn voor gezonde cellen.

Argyropoulos noemde het klassieke voorbeeld van thalidomideeen medicijn met een chirale structuur dat tussen 1957 en 1962 aan vrouwen werd voorgeschreven om ochtendmisselijkheid te behandelen. Het rechtshandige molecuul kon misselijkheid verzachten, maar was zeer giftig voor zich ontwikkelende foetussen en veroorzaakte geboorteafwijkingen bij duizenden baby’s over de hele wereld.

Het optische element, aldus Argyropoulos, kan snel de moleculaire structuur van farmaceutische producten in beeld brengen, waardoor wetenschappers de nuances van het gedrag van geneesmiddelen beter kunnen begrijpen.

Bovendien kan het optische element worden gebruikt om rechts- of linkshandige elektromagnetische golven te creëren, zei Argyropoulos, die nodig zijn voor de ontwikkeling en het onderhoud van klassieke en kwantumcommunicatiesystemen, zoals gecodeerde wifi en mobiele telefoondiensten.

“Voorheen had je voor optische communicatiesystemen grote, omvangrijke apparaten nodig die slechts op één frequentie werkten.” zei Argyropoulos. “Dit nieuwe optische element is lichtgewicht en gemakkelijk af te stemmen op meerdere frequenties.”