Utilizando metamateriales, un equipo de investigadores de ingeniería eléctrica de Penn State y la Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL) creó un elemento óptico ultrafino que puede controlar la dirección de las ondas de luz electromagnética polarizada. Este nuevo control permite a los investigadores no sólo dirigir la quiralidad de la luz, sino también identificar la quiralidad de las moléculas determinando cómo interactúa la luz polarizada con ellas.

Identificar la quiralidad de las moléculas puede revelar información crítica sobre cómo interactuarán con otros sistemas, como por ejemplo si medicamentos específicos ayudarán a curar el tejido enfermo o dañado sin dañar las células sanas. Los investigadores han publicado sus hallazgos en Nature Communications. .

La quiralidad se refiere a imágenes especulares, como las manos izquierda y derecha uniéndose en un apretón de manos, explicó Christos Argyropoulos, profesor asociado de ingeniería eléctrica en Penn State y coautor correspondiente del artículo. En física, entre otras responsabilidades, la quiralidad influye en la dirección en la que giran las ondas de luz.

Argyropoulos y sus colegas fabricaron un elemento óptico, similar a un portaobjetos de vidrio, que utiliza un bosque de diminutos nanovarillas similares a antenas que juntos crean un metamaterial (o material diseñado para tener propiedades específicas que no suelen encontrarse en la naturaleza) capaz de controlar el giro. de luz. Los nanorods metamateriales parecen tener la forma de la letra "L" cuando se ven a nanoescala.

"Cuando la interacción luz-materia está mediada por metamateriales, se pueden obtener imágenes de una molécula e identificar su quiralidad inspeccionando cómo la luz quiral interactúa con ella", dijo Argyropoulos.

Los investigadores de la UNL utilizaron un método de fabricación emergente llamado deposición en ángulo de obstrucción para fabricar el elemento óptico a partir de silicio.

"El silicio no disipa sustancialmente la luz incidente que era problemática con el metal, que utilizamos en intentos anteriores para crear el elemento", dijo Ufuk Kilic, profesor de investigación en la UNL y coautor correspondiente del artículo. "Y el silicio nos permitió ajustar la forma y la longitud de los nanopilares en la plataforma, lo que a su vez nos permite cambiar la forma en que controlamos la luz".

Identificar la quiralidad de las moléculas puede tener impactos de amplio alcance en la biomedicina, particularmente en los fármacos, que a veces tienen quiralidad derecha o izquierda, explicó Argyropoulos. Si bien una estructura molecular diestra puede ser eficaz en el tratamiento de enfermedades, la misma molécula con una estructura zurda puede ser tóxica para las células sanas.

Argyropoulos mencionó el ejemplo clásico de la talidomida, un fármaco con estructura quiral que se recetaba a las mujeres para tratar las náuseas matutinas entre 1957 y 1962. La molécula diestra podía aliviar las náuseas, pero era altamente tóxica para los fetos en desarrollo y causó defectos de nacimiento a miles de personas. bebés en todo el mundo.

El elemento óptico, afirmó Argyropoulos, puede obtener imágenes rápidamente de la estructura molecular de los productos farmacéuticos, lo que permite a los científicos comprender mejor los matices del comportamiento de los fármacos.

Además, el elemento óptico se puede utilizar para crear ondas electromagnéticas diestras o zurdas, dijo Argyropoulos, que son necesarias para el desarrollo y mantenimiento de sistemas de comunicaciones clásicos y cuánticos, como Wi-Fi encriptado y servicio de telefonía celular.

"Anteriormente, para los sistemas de comunicación óptica, se necesitaban dispositivos grandes y voluminosos que sólo funcionaran en una frecuencia", dijo Argyropoulos. "Este nuevo elemento óptico es liviano y fácilmente sintonizable a múltiples frecuencias."