Ny fysisk effekt påvist efter 40 års søgning

En ny fysisk effekt er blevet påvist på University of Bath efter 40 års jagt fra fysikere rundt om i verden, hvilket kan føre til fremskridt inden for kemisk fremstillingseffektivitet, miniaturisering og kvalitetskontrol i personlige lægemidler.

For første gang nogensinde var forskerholdet i Fysisk Institut i stand til at bruge en fysisk effekt - specifikt farveændringen af ​​lys spredt fra chirale molekyler - til at måle den tilstedeværende chiralitet, bekræfter forudsigelser om teoretisk arbejde fra 1970'erne.

Teknikken er 100, 000 gange mere følsom end standardmetoder, der bruges i dag.

Chiralitet beskriver molekylernes orientering, som kan eksistere i venstre- eller højrehåndede former afhængigt af hvordan de vrider sig i tre dimensioner. Mange molekyler vigtige for livet, herunder DNA, aminosyrer og proteiner, udviser kiralitet og hånden kan helt ændre deres funktion eller egenskaber. Derfor er det ofte kritisk vigtigt at kende et stoffs chiralitet.

I årtier havde forskere forsøgt at bevise, at du nøjagtigt kunne bestemme molekylernes chiralitet ved at måle en farveændrende (ikke-lineær) effekt ved belysning med snoet (cirkulært polariseret) lys. I teorien, snoet lys kunne ændre farve og derefter spredes anderledes end forskelligt overleverede molekyler - men dette var aldrig blevet demonstreret eksperimentelt.

Dr. Ventsislav Valev, der leder forskergruppen i Institut for Fysik ved University of Bath, sagde:"Vi har demonstreret en ny fysisk effekt - det kan du ikke sige hver dag. Det er præcis derfor, jeg gik ind i videnskab.

"Vi begyndte at tænke på problemet for 13 år siden, sammen med prof. Thierry Verbiest, på KU Leuven, Belgien. Fordi effekten var så undvigende, Jeg vidste, at halvdelen af ​​løsningen ville være at udvikle et meget følsomt eksperimentelt setup. Dette er, hvad jeg gjorde i mange år. Den anden halvdel var at finde de rigtige prøver, og jeg var virkelig spændt på at opdage de nanoskopiske sølvfjedre (nano-helixer) fremstillet af prof Peer Fischers gruppe, på Max Planck Institute for Intelligent Systems, i Stuttgart, Tyskland."

Ph.d. studerende Joel Collins havde et utroligt øjeblik, da han kørte en række tests på disse fjedre.

Han sagde:"For at være ærlig var min holdning næsten 'OK lad os få det væk for at sikre, at det ikke virker, og vi kan gå videre til noget andet'. Derefter, sammen med min kollega Dr. Kristina Rusimova, vi bemærkede, at der faktisk syntes at være en effekt, og jeg tænkte 'hmmmm, det er interessant.'

"Vi blev ved med at gentage eksperimentet for at sikre, at det faktisk var en reel effekt, og vi så, at det ikke kun er der, men det er enormt - vi brugte kun virkelig lave koncentrationer af vores nano-helixer.

"For min del, Jeg forstod ikke rigtigt, hvor vigtigt det er, og forventede, at nogen ville komme med og rive den i filler, at sige - 'det har du ikke tænkt på' eller 'du har savnet dette'. Men med tiden er det gået op for mig - at det her faktisk er et fantastisk resultat."

Den eksperimentelle geometri er faktisk ganske enkel; nano-fjedrene er spredt i vand i en glasbeholder, hvor de spredes tilfældigt. Så er en laser rettet mod dem. Laserens twist (cirkulær polarisering) skiftes periodisk, og lys spredt fra beholderen ved 90 ° analyseres for at bestemme chiraliteten af ​​de tilstedeværende fjedre. Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgang X .

Dr. Valev tilføjede:"Det har taget 40 år, folk har ledt efter dette uden held, og ikke på grund af manglende forsøg. Det er fantastisk. Teorien var ret kontroversiel, folk troede, at effekten måske var umulig at observere, måske var der noget andet, blokerer det.

"I 200 år, forskere har brugt den samme metode til at måle chiralitet. Det er ikke særlig følsomt, men det er robust og enkelt, dog er præcise målinger af kiralitet blevet en stor hindring for menneskeskabt chiral nanoteknologi på grund af falske positive.

"Nu har vi en metode 100, 000 gange mere følsom, fri for falske positive. Der er i øjeblikket en ny form for fremstillingsproces. Det kaldes 'lab-on-a-chip', og vores effekt passer meget godt til det.

"En mere følsom test betyder, at du kan bruge lavere mængder i kvalitetskontrol og reducere spild, der er applikationer inden for kemisk og farmaceutisk fremstilling, såvel som i mikrofluidik, i miniaturisering og til udvikling af personlige farmaceutiske teknologier. "

Avancerede laserkilder, følsomt detekteringsudstyr og state-of-the-art nanofabrikationsteknikker er alle kommet sammen for at muliggøre eksperimentel observation af den nye effekt.

Professor David Andrews, fra University of East Anglia, teoretiserede effekten for 40 år siden. Han sagde:"Dr. Valevs banebrydende arbejde er en smart og yderst vigtig bedrift, for han har indset en slags anvendelse, der aldrig kunne have været forestillet, da teorien først blev lagt, fyrre år siden.

"Hans resultater tjener som en opmuntring for alle rene teoretikere!"

Næste, forskerne vil bruge deres resultater til at karakterisere chirale molekyler og til at udvikle deres teknologiske anvendelser.

Papiret "Første observation af optisk aktivitet ved hyper-Rayleigh-spredning" er offentliggjort i Fysisk gennemgang X .