Innovativt eksperimentelt skema kan skabe spejlmolekyler

Undersøgelse af mysteriet om molekylær håndethed i naturen, forskere har foreslået en ny eksperimentel ordning for at skabe specialfremstillede spejlmolekyler til analyse. Teknikken kan få almindelige molekyler til at dreje så hurtigt, at de mister deres normale symmetri og form og danner spejlede versioner af hinanden. Forskergruppen fra DESY, Universität Hamburg og University College London ledet af Jochen Küpper beskriver den innovative metode i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Den videre udforskning af handsness, eller kiralitet (fra det gamle græske ord for hånd, "cheir"), forbedrer ikke kun indsigt i naturens virke, men kunne også bane vejen for nye materialer og metoder.

Ligesom dine hænder, mange molekyler i naturen findes i to versioner, der er spejlbilleder af hinanden. "Af ukendte årsager, livet som vi kender det på Jorden, foretrækker næsten udelukkende venstrehåndede proteiner, mens genomet er organiseret som den berømte højrehåndede dobbeltspiral, "forklarer Andrey Yachmenev, der leder dette teoretiske arbejde i Küppers gruppe på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). "I mere end et århundrede forskere har afsløret hemmelighederne ved denne besiddelse i naturen, som ikke kun påvirker den levende verden - spejlversioner af visse molekyler ændrer kemiske reaktioner og ændrer materialets adfærd. "F.eks. den højrehåndede version af campingvogn (C ₁₀ H ₁₄ O) giver karve sin karakteristiske smag, mens den venstrehåndede version er en nøglefaktor for smagen af ​​spearmint.

Håndethed, eller kiralitet, forekommer kun naturligt i nogle typer molekyler. "Imidlertid, det kan kunstigt induceres i såkaldte symmetriske topmolekyler, "siger medforfatter Alec Owens fra Center for Ultrafast Imaging (CUI)." Hvis disse molekyler omrøres hurtigt nok, de mister deres symmetri og danner to spejlformer, afhængig af deres følelse af rotation. Indtil nu, meget lidt er kendt om dette fænomen rotationsinduceret kiralitet, fordi der næsten ikke findes nogen ordninger for dens generation, der kan følges eksperimentelt. "

Küppers team har nu beregningsmæssigt udtænkt en måde at opnå denne rotationsinducerede kiralitet med realistiske parametre i laboratoriet. Den anvender proptrækkerformede laserpulser kendt som optiske centrifuger. For eksemplet med phosphin (PH ₃ ) deres kvantemekaniske beregninger viser, at fosfor-brintbinding, som molekylet roterer omkring, bliver kortere end de to andre af disse bindinger ved rotationshastigheder på billioner gange i sekundet og afhængigt af rotationsfølelsen, to kirale former for phosphin dukker op. "Ved hjælp af et stærkt statisk elektrisk felt, den venstre- eller højrehåndede version af det spinnende phosphin kan vælges, "forklarer Yachmenev." For stadig at opnå den ultrahurtige ensrettede rotation, proptrækker-laseren skal finjusteres, men til realistiske parametre. "

Denne ordning lover en helt ny vej gennem spejlglasset ind i spejlverdenen, som det i princippet også ville fungere med andre, tungere molekyler. Faktisk, disse ville faktisk kræve svagere laserpulser og elektriske felter, men var bare for komplekse til at kunne løses i disse første faser af undersøgelsen. Imidlertid, da phosphin er meget giftigt, sådanne tungere og også langsommere molekyler ville sandsynligvis blive foretrukket til forsøg.

Den foreslåede metode kunne levere skræddersyede spejlmolekyler, og undersøgelsen af ​​deres interaktioner med miljøet, for eksempel med polariseret lys, skulle bidrage til yderligere at trænge ind i mysterierne om håndethed i naturen og undersøge dens mulige udnyttelse, forventer Küpper, som også er professor i fysik og kemi ved Universität Hamburg:"Facilitering af en dybere forståelse af fænomenet handsness på denne måde kan også bidrage til udviklingen af ​​kiralitetsbaserede skræddersyede molekyler og materialer, nye materiestater, og den potentielle udnyttelse af rotationsinduceret kiralitet i nye metamaterialer eller optiske enheder. "