Iluminando as moléculas:metamateriais em forma de L podem controlar a direção da luz
Os pesquisadores fabricaram um elemento óptico que usa uma floresta de minúsculos nanobastões semelhantes a antenas, vistos aqui, que juntos criam um metamaterial capaz de controlar o giro da luz. Os nanobastões de metamateriais parecem ter o formato da letra “L” quando vistos em nanoescala. Crédito:Christos Argyopoulos As ondas de luz polarizada giram no sentido horário ou anti-horário à medida que viajam, com uma direção se comportando de maneira diferente da outra ao interagir com as moléculas. Esta direcionalidade, chamada quiralidade ou lateralidade, poderia fornecer uma forma de identificar e classificar moléculas específicas para utilização em aplicações biomédicas, mas os investigadores tiveram um controlo limitado sobre a direção das ondas – até agora.
Usando metamateriais, uma equipe de pesquisadores de engenharia elétrica da Penn State e da Universidade de Nebraska-Lincoln (UNL) criou um elemento óptico ultrafino que pode controlar a direção das ondas de luz eletromagnéticas polarizadas. Este novo controle permite aos pesquisadores não apenas direcionar a quiralidade da luz, mas também identificar a quiralidade das moléculas, determinando como a luz polarizada interage com elas.
A identificação da quiralidade das moléculas pode revelar informações críticas sobre como elas irão interagir com outros sistemas, como se medicamentos específicos ajudarão a curar tecidos doentes ou danificados sem prejudicar as células saudáveis. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na Nature Communications .
Quiralidade refere-se a imagens espelhadas, como mãos esquerda e direita unindo-se em um aperto de mão, explicou Christos Argyropoulos, professor associado de engenharia elétrica na Penn State e co-autor correspondente do artigo. Na física, entre outras responsabilidades, a quiralidade influencia a direção em que as ondas de luz giram.
Argyropoulos e seus colegas fabricaram um elemento óptico, semelhante a uma lâmina de vidro, que usa uma floresta de minúsculos nanobastões semelhantes a antenas que, juntos, criam um metamaterial - ou material projetado para ter propriedades específicas não normalmente encontradas na natureza - capaz de controlar o spin. de luz. Os nanobastões de metamateriais parecem ter o formato da letra “L” quando vistos em nanoescala.
"Quando a interação luz-matéria é mediada pelos metamateriais, você pode criar imagens de uma molécula e identificar sua quiralidade inspecionando como a luz quiral interage com ela", disse Argyropoulos.
Pesquisadores da UNL usaram uma abordagem de fabricação emergente chamada deposição de ângulo de visão para fabricar o elemento óptico de silício.
“O silício não dissipa substancialmente a luz incidente que era problemática com o metal, que usamos em tentativas anteriores de criar o elemento”, disse Ufuk Kilic, professor pesquisador da UNL e co-autor correspondente do artigo. "E o silício nos permitiu ajustar a forma e o comprimento dos nanopilares na plataforma, o que por sua vez nos permite mudar a forma como controlamos a luz."
A identificação da quiralidade das moléculas pode ter impactos abrangentes na biomedicina, particularmente em medicamentos farmacêuticos, que às vezes apresentam quiralidade destra ou canhota, explicou Argyropoulos. Embora uma estrutura molecular destra possa ser eficaz no tratamento de doenças, a mesma molécula com uma estrutura destra pode ser tóxica para células saudáveis.
Argyropoulos mencionou o exemplo clássico da talidomida, um medicamento com estrutura quiral que foi prescrito a mulheres para tratar enjôos matinais entre 1957 e 1962. A molécula destra poderia apaziguar náuseas, mas era altamente tóxica para fetos em desenvolvimento e causava defeitos congênitos em milhares de pessoas. bebês em todo o mundo.
O elemento óptico, disse Argyropoulos, pode visualizar rapidamente a estrutura molecular dos produtos farmacêuticos, permitindo aos cientistas compreender melhor as nuances do comportamento dos medicamentos.
Além disso, o elemento óptico pode ser usado para criar ondas eletromagnéticas para destros ou canhotos, disse Argyropoulos, que são necessárias para o desenvolvimento e manutenção de sistemas de comunicação clássicos e quânticos, como Wi-Fi criptografado e serviço de telefonia celular.
“Anteriormente, para sistemas de comunicação óptica, eram necessários dispositivos grandes e volumosos que operavam apenas em uma frequência”, disse Argyropoulos. "Este novo elemento óptico é leve e facilmente sintonizável em múltiplas frequências."
