Lys på molekyler:L-formede metamaterialer kan styre lysets retning

Polariserede lysbølger roterer med eller mod uret, mens de bevæger sig, med en retning, der opfører sig anderledes end den anden, da den interagerer med molekyler. Denne retningsbestemmelse, kaldet chiralitet eller handedness, kunne give en måde at identificere og sortere specifikke molekyler til brug i biomedicinske applikationer på, men forskere har haft begrænset kontrol over bølgernes retning – indtil nu.

Ved hjælp af metamaterialer skabte et hold af elektroingeniørforskere fra Penn State og University of Nebraska-Lincoln (UNL) et ultratyndt optisk element, der kan styre retningen af ​​polariserede elektromagnetiske lysbølger. Denne nye kontrol giver forskere mulighed for ikke kun at styre lysets chiralitet, men også at identificere chiraliteten af ​​molekyler ved at bestemme, hvordan polariseret lys interagerer med dem.

At identificere molekylernes chiralitet kan afsløre kritisk information om, hvordan de vil interagere med andre systemer, såsom om specifikke lægemidler vil hjælpe med at helbrede sygt eller beskadiget væv uden at skade sunde celler. Forskerne har offentliggjort deres resultater i Nature Communications .

Chiralitet refererer til spejlbilleder, som venstre og højre hånd, der slutter sig til et håndtryk, forklarede Christos Argyropoulos, lektor i elektroteknik ved Penn State og med-korresponderende forfatter på papiret. I fysik, blandt andet ansvar, påvirker chiralitet den retning, lysbølgerne spinder.

Argyropoulos og hans kolleger fremstillede et optisk element, der ligner en glasplade, der bruger en skov af bittesmå, antennelignende nanorods, der tilsammen skaber et metamateriale - eller materiale konstrueret til at have specifikke egenskaber, der ikke typisk findes i naturen - i stand til at kontrollere spindet af lys. Metamaterialets nanorods ser ud til at være formet som bogstavet "L", når de ses på nanoskalaen.

"Når lys-stof-interaktionen medieres af metamaterialerne, kan du afbilde et molekyle og identificere dets chiralitet ved at inspicere, hvordan chiralt lys interagerer med det," sagde Argyropoulos.

Forskere ved UNL brugte en ny fremstillingsmetode kaldet blikvinkelaflejring til at fremstille det optiske element af silicium.

"Silicon spreder ikke væsentligt det indfaldende lys, der var problematisk med metal, som vi brugte i tidligere forsøg på at skabe elementet," sagde Ufuk Kilic, en forskningsprofessor ved UNL og medkorresponderende forfatter på papiret. "Og silicium gjorde det muligt for os at justere formen og længden af ​​nanopillerne på platformen, hvilket igen giver os mulighed for at ændre, hvordan vi styrer lyset."

At identificere molekylernes chiralitet kan have vidtrækkende virkninger inden for biomedicin, især i farmaceutiske lægemidler, som nogle gange har højre- eller venstrehåndet chiralitet, forklarede Argyropoulos. Mens en højrehåndet molekylær struktur kan være effektiv til behandling af sygdom, kan det samme molekyle med en venstrehåndsstruktur være giftig for raske celler.

Argyropoulos nævnte det klassiske eksempel på thalidomid, et lægemiddel med en chiral struktur, der blev ordineret til kvinder til behandling af morgenkvalme mellem 1957 og 1962. Det højrehåndede molekyle kunne berolige kvalme, men var meget giftigt for at udvikle fostre og forårsagede fødselsdefekter for tusindvis af babyer over hele verden.

Det optiske element, sagde Argyropoulos, kan hurtigt afbilde lægemidlers molekylære struktur, hvilket gør det muligt for forskere bedre at forstå nuancerne af lægemiddeladfærd.

Derudover kan det optiske element bruges til at skabe højre- eller venstrehåndede elektromagnetiske bølger, sagde Argyropoulos, som er nødvendige for udvikling og vedligeholdelse af klassiske og kvantekommunikationssystemer, såsom krypteret Wi-Fi og mobiltelefontjeneste.

"Tidligere, for optiske kommunikationssystemer, havde du brug for store, omfangsrige enheder, der kun fungerede på én frekvens," sagde Argyropoulos. "Dette nye optiske element er let og kan nemt indstilles til flere frekvenser."

Flere oplysninger: Ufuk Kilic et al., Styring af bredbåndsforbedret lyskiralitet med L-formede dielektriske metamaterialer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48051-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Pennsylvania State University