Mani e piedi sono due esempi di oggetti chirali:immagini speculari non sovrapponibili l'una dell'altra. Un'immagine è distintamente "mancina, " mentre l'altro è "destro". Un semplice bicchiere e una palla sono achirali, il che significa che l'oggetto e la sua immagine speculare sembrano esattamente uguali.

Nella scienza, la chiralità è un concetto fondamentale in numerose discipline, compresa la medicina. Negli anni Cinquanta e nei primi anni Sessanta, alle donne in gravidanza è stato prescritto il sedativo talidomide, ma il farmaco ha prodotto orribili difetti alla nascita in migliaia di bambini in tutto il mondo. Il motivo:la molecola di talidomide è chirale, e mentre la molecola della mano sinistra era davvero un sedativo, quello di destra è stato scoperto in seguito per produrre anomalie fetali.

Fino a poco tempo fa, una simile "mano" in film di grande area con precisione su scala atomica non era stata studiata. Il team di ricerca del Jiwoong Park di Cornell ha aperto nuove strade in quest'area, sviluppando un film chirale atomicamente sottile di soli 2 atomi di spessore, attraverso l'impilamento circolare di grafene.

Questo materiale è di interesse nei campi dell'ottica di polarizzazione, stereochimica, optoelettronica ed elettronica di trasporto di spin, o spintronica.

"Direi che siamo curiosi di questo da molto tempo, se possiamo fare questo materiale, " disse Parco, professore associato di chimica e biologia chimica e membro esecutivo del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science.

La carta del gruppo Parco, "Film chirali atomicamente sottili, " è stato pubblicato il 22 febbraio in Nanotecnologia della natura . Park e Cheol-Joo Kim, ricercatore post-dottorato in chimica e biologia chimica, progettato e condotto gli esperimenti e co-scritto il documento.

I contributori includono Zack Ziegler '16, una specializzazione in fisica ingegneristica; l'ex postdoc della Cornell Yui Ogawa; e Cecilia Noguez dell'Instituto de Fisica, Universidad Nacional Autonoma del Messico. Noguez è uno dei fisici computazionali più importanti al mondo, e ha aiutato a calcolare i risultati del gruppo Park.

"Questa scoperta e la sua conferma possono avere molte implicazioni sia nella scienza pura che in quella applicata, " Ha detto Noguez. "Questo può essere applicato per il rilevamento di biomolecole, e per indurre e controllare la catalisi asimmetrica, tra gli altri. Sono sicuro che questa scoperta apre nuove direzioni di ricerca per altri materiali 2-D".

Per l'esperimento, Kim e Ogawa coltivavano fogli di grafene su rame, quindi tagliarli in più fogli. Quei fogli sono stati poi impilati, con ogni foglio leggermente ruotato prima di essere posizionato su quello sottostante. La rotazione è andata in senso orario su una pila e in senso antiorario sull'altra per formare pile destre e mancine.

La luce polarizzata circolarmente - alternando fasci destrorsi e mancini - veniva irradiata sui fari, e dicroismo circolare (o CD, l'assorbimento differenziale della luce sinistra e destra), era misurato. È il dicroismo circolare degli occhiali 3-D che permette di vedere un film in tre dimensioni.

Il CD del film speciale al grafene è stato più forte di quanto previsto dal gruppo. Dopo mesi di duro lavoro e qualche contrattempo, quella scoperta è avvenuta intorno al Ringraziamento 2014, e "è stato allora che l'intero processo ha accelerato, " ha detto Kim.

Ma dopo aver raggiunto questa svolta su scala atomica, il gruppo ha dovuto quantificare i suoi risultati, così si rivolse a Noguez.

"È uno di quei rari casi in cui sapevamo esattamente cosa volevamo, quindi sapevamo quale quantità doveva essere calcolata, " disse Park. "Non è un calcolo facile, e abbiamo fatto molte ricerche e ci siamo resi conto che Cecilia è la persona migliore per farlo".

Noguez ha ammesso che il suo gruppo è stato inizialmente sorpreso dalle scoperte di Park, ma nell'analizzarli ulteriormente realizzai che la ricerca aveva un senso.

"Abbiamo previsto molto tempo fa un comportamento simile per i nanotubi di carbonio a parete singola e, più recentemente, per le nanoparticelle metalliche protette da ligando, " ha detto. "Quindi alla fine, quei risultati avevano senso per me."