Utilizzando metamateriali, un team di ricercatori di ingegneria elettrica della Penn State e dell'Università del Nebraska-Lincoln (UNL) ha creato un elemento ottico ultrasottile in grado di controllare la direzione delle onde luminose elettromagnetiche polarizzate. Questo nuovo controllo consente ai ricercatori non solo di dirigere la chiralità della luce, ma anche di identificare la chiralità delle molecole determinando il modo in cui la luce polarizzata interagisce con esse.

Identificare la chiralità delle molecole può rivelare informazioni critiche su come interagiranno con altri sistemi, ad esempio se farmaci specifici aiuteranno a guarire i tessuti malati o danneggiati senza danneggiare le cellule sane. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications .

La chiralità si riferisce a immagini speculari, come le mani sinistra e destra che si uniscono in una stretta di mano, ha spiegato Christos Argyropoulos, professore associato di ingegneria elettrica alla Penn State e co-autore corrispondente dell'articolo. In fisica, tra le altre responsabilità, la chiralità influenza la direzione in cui ruotano le onde luminose.

Argyropoulos e i suoi colleghi hanno fabbricato un elemento ottico, simile a un vetrino, che utilizza una foresta di minuscoli nanotubi simili ad antenne che insieme creano un metamateriale, o materiale progettato per avere proprietà specifiche non tipicamente presenti in natura, in grado di controllare la rotazione. di luce. I nanotubi metamateriali sembrano avere la forma della lettera "L" se visti su scala nanometrica.

"Quando l'interazione luce-materia è mediata dai metamateriali, è possibile immaginare una molecola e identificarne la chiralità esaminando il modo in cui la luce chirale interagisce con essa", ha affermato Argyropoulos.

I ricercatori dell'UNL hanno utilizzato un approccio di fabbricazione emergente chiamato deposizione ad angolo radente per fabbricare l'elemento ottico in silicio.

"Il silicio non dissipa sostanzialmente la luce incidente che era problematica con il metallo, che abbiamo utilizzato nei precedenti tentativi di creare l'elemento", ha affermato Ufuk Kilic, professore di ricerca presso l'UNL e co-autore corrispondente dell'articolo. "E il silicio ci ha permesso di regolare la forma e la lunghezza dei nanopilastri sulla piattaforma, il che a sua volta ci permette di cambiare il modo in cui controlliamo la luce."

Identificare la chiralità delle molecole può avere impatti ad ampio raggio in biomedicina, in particolare nei farmaci, che a volte hanno una chiralità destrorsa o mancinissima, ha spiegato Argyropoulos. Mentre una struttura molecolare destrorsa può essere efficace nel trattamento delle malattie, la stessa molecola con una struttura sinistrorsa può essere tossica per le cellule sane.

Argyropoulos ha citato il classico esempio della talidomide, un farmaco con struttura chirale che veniva prescritto alle donne per curare la nausea mattutina tra il 1957 e il 1962. La molecola destrorsa poteva calmare la nausea ma era altamente tossica per i feti in via di sviluppo e causava difetti alla nascita per migliaia di persone. bambini in tutto il mondo.

L'elemento ottico, ha affermato Argyropoulos, può visualizzare rapidamente la struttura molecolare dei prodotti farmaceutici, consentendo agli scienziati di comprendere meglio le sfumature del comportamento dei farmaci.

Inoltre, l'elemento ottico può essere utilizzato per creare onde elettromagnetiche destrorse o sinistrorse, ha affermato Argyropoulos, necessarie per lo sviluppo e il mantenimento di sistemi di comunicazione classici e quantistici, come il Wi-Fi crittografato e il servizio di telefonia cellulare.

"In precedenza, per i sistemi di comunicazione ottica, erano necessari dispositivi grandi e ingombranti che funzionassero solo a una frequenza", ha affermato Argyropoulos. "Questo nuovo elemento ottico è leggero e facilmente sintonizzabile su più frequenze."