Los científicos sintetizaron la luz con una nueva quiralidad intrínseca para diferenciar las moléculas espejo
Que haya.... una nueva luz
La luz es la forma más rápida de distinguir las moléculas quirogénicas para diestros y zurdos, que tiene importantes aplicaciones en química y biología. Sin embargo, la luz ordinaria sólo percibe débilmente la mano molecular. Investigadores del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopia de Pulso Corto (MBI), el Instituto de Tecnología de Israel (Technion) y la Universidad Técnica de Berlín han demostrado ahora cómo generar y caracterizar un tipo completamente nuevo de luz, luz quiral sintética, que identifica de forma excepcionalmente distintiva las manos de las moléculas. Los resultados de su trabajo conjunto acaban de aparecer en Nature Photonics.
La luz quiral sintética interactúa selectivamente con una de las dos versiones de una molécula quiral (izquierda o derecha). La versión seleccionada responde emitiendo una luz muy brillante, mientras que su "gemelo espejo" permanece oscuro.
Steven Roberts
Al igual que nuestras manos izquierda y derecha, algunas moléculas de la naturaleza también tienen gemelos espejo. Sin embargo, aunque estas moléculas gemelas pueden parecer similares, algunas de sus propiedades pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, la destreza -o quiralidad- de las moléculas juega un papel esencial en la química, la biología y el desarrollo de medicamentos: mientras que un tipo de molécula puede curar una enfermedad, su gemelo espejo -o enantiómero- puede ser tóxico o incluso letal.
Es extremadamente difícil diferenciar las moléculas quirales opuestas porque se ven idénticas y se comportan de manera idéntica, a menos que interactúen con otro objeto quiral. La luz ha sido durante mucho tiempo el candidato perfecto: las oscilaciones del campo electromagnético dibujan una hélice quiral en el espacio, a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Dependiendo de si la hélice gira en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario, la onda de luz puede ser derecha o izquierda. Las moléculas quirales pueden interactuar de forma diferente con él. Sin embargo, el paso de hélice, establecido por la longitud de onda de la luz, es aproximadamente mil veces mayor que el tamaño de una molécula. Así, las diminutas moléculas perciben la hélice de la luz más bien como un círculo gigantesco, sintiendo apenas su quiralidad en absoluto.
Una forma innovadora de resolver este problema, propuesta por los científicos de MBI, Technion y TU Berlin, es sintetizar un tipo completamente nuevo de luz quiral - una que dibuja una estructura quiral en el tiempo, en cada punto del espacio. "La manejabilidad de esta nueva luz se puede ajustar de tal manera que un enantiómero interactúe activamente con ella y emita luz brillante en respuesta, mientras que el enantiómero opuesto no interactuará con ella en absoluto", explica el Dr. David Ayuso, investigador de MBI y primer autor del artículo.
Los científicos describieron esta nueva luz quiral matemáticamente y probaron su modelo simulando cómo interactúa con las moléculas quirales. Además, mostraron cómo "cocinar" tal luz en un laboratorio: fusionando dos rayos láser convergentes que transportan ondas de luz de dos frecuencias diferentes. Al sintonizar el desplazamiento de fase entre las diferentes frecuencias, los científicos pueden controlar la destreza de esta luz quiral sintética y así seleccionar con qué tipo de moléculas interactuará fuertemente.
"La luz quiral sintética es descrita por propiedades de simetría intrínseca completamente nuevas para los campos electromagnéticos, lo cual es muy emocionante", dice Ofer Neufeld, estudiante de doctorado en el Departamento de Física de Technion, segundo autor (de igual contribución) del trabajo.
Los investigadores prevén una variedad de aplicaciones potenciales del nuevo método en química y biología. Por ejemplo, la luz quiral sintética podría permitir monitorear las reacciones químicas quimicas en tiempo real o detectar el interruptor en la mano de las moléculas. "También esperamos utilizar este nuevo enfoque para separar espacialmente moléculas con la mano opuesta utilizando láseres ultrarrápidos", concluye la Prof. Dra. Olga Smirnova, profesora de la Universidad Politécnica de Berlín y directora de un grupo de Teoría MBI.
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Publicación original
"Synthetic chiral light for efficient control of chiral light–matter interaction"; David Ayuso, Ofer Neufeld, Andres F. Ordonez, Piero Decleva, Gavriel Lerner, Oren Cohen, Misha Ivanov and Olga Smirnova; Nature Photonics; 2019
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