Forskere syntetiserer lys med ny iboende chiralitet for at skille spejlmolekyler fra hinanden

Lys er den hurtigste måde at skelne mellem højre- og venstrehåndede kirale molekyler, som har vigtige anvendelser inden for kemi og biologi. Imidlertid, almindeligt lys fornemmer kun svagt molekylær håndethed. Forskere fra Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI), Israel Institute of Technology (Technion) og Technische Universitaet Berlin (TU Berlin) rapporterer nu en metode til at generere og karakterisere syntetisk kiralt lys, som identificerer molekylernes håndethed usædvanligt tydeligt. Resultaterne af deres fælles arbejde er netop dukket op i Natur fotonik .

Som venstre og højre hånd, nogle molekyler i naturen har spejl tvillinger. Imidlertid, mens disse tvillingemolekyler kan se ens ud, nogle af deres egenskaber kan være meget forskellige. For eksempel, molekylernes rethed - eller chiralitet - spiller en væsentlig rolle i kemi, biologi, og lægemiddeludvikling. Mens en type af et molekyle kan helbrede en sygdom, dens spejl -tvilling - eller enantiomer - kan være giftig eller endda dødelig.

Det er ekstremt svært at skelne modsatte kirale molekyler fra hinanden, fordi de ser identiske ud og opfører sig identisk, medmindre de interagerer med et andet chiralt objekt. Lys har længe været brugt til at opdage kiralitet - svingninger af det elektromagnetiske felt trækker en chiral helix i rummet langs lysudbredelsesretningen. Afhængigt af om spiralen snurrer med eller mod uret, lysbølgen er enten højre- eller venstrehåndet. Imidlertid, helix tonehøjde, indstillet af lysbølgelængden, er omkring 1000 gange større end størrelsen af ​​et molekyle. Så lysheliksen er en gigantisk cirkel sammenlignet med de små molekyler, som næppe reagerer på dens chiralitet.

En innovativ måde at løse dette problem på, foreslået af MBI, Forskere fra Technion og TU Berlin, er at syntetisere en ny type chiralt lys, der tegner en chiral struktur i tiden på hvert enkelt punkt i rummet. "Hensynet til dette nye lys kan indstilles på en sådan måde, at en enantiomer aktivt vil interagere med det og udsende stærkt lys som reaktion, mens den modsatte enantiomer slet ikke vil interagere med det, "forklarer Dr. David Ayuso, MBI -forsker og artiklens første forfatter.

Forskerne beskrev dette nye kirale lys matematisk og testede deres model ved at simulere, hvordan det interagerer med chirale molekyler. Desuden, de viste, hvordan man skaber sådan lys i et laboratorium, sammensmeltning af to konvergerende laserstråler, der bærer lysbølger med to forskellige frekvenser. Ved at indstille faseskiftet mellem de forskellige frekvenser, videnskabsfolk kan styre rigtigheden af ​​dette syntetiske kirale lys og dermed vælge den type molekyle, som det vil interagere stærkt med.

"Syntetisk kiralt lys beskrives ved helt nye iboende symmetriegenskaber for elektromagnetiske felter, hvilket er meget spændende, "siger Ofer Neufeld, en ph.d. studerende i Technions fysikafdeling, anden (lige bidrag) forfatter til papiret.

Forskerne forudser en række potentielle anvendelser af den nye metode inden for kemi og biologi. For eksempel, syntetisk kiralt lys kan give forskere mulighed for at overvåge kirale kemiske reaktioner i realtid eller detektere skiftet i molekylernes håndethed. "Vi håber også at kunne bruge denne nye tilgang til at adskille molekyler rumligt med den modsatte hånd ved hjælp af ultrahurtige lasere, "siger professor Dr. Olga Smirnova, professor ved TU Berlin og leder af en MBI -teorigruppe.