Het mysterie van moleculaire handigheid in de natuur onderzoeken, wetenschappers hebben een nieuw experimenteel schema voorgesteld om op maat gemaakte spiegelmoleculen voor analyse te maken. De techniek kan gewone moleculen zo snel laten draaien dat ze hun normale symmetrie en vorm verliezen en gespiegelde versies van elkaar vormen. Het onderzoeksteam van DESY, Universität Hamburg en University College London onder leiding van Jochen Küpper beschrijven de innovatieve methode in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . De verdere verkenning van handigheid, of chiraliteit (van het oude Griekse woord voor hand, "cheir"), vergroot niet alleen het inzicht in de werking van de natuur, maar kan ook de weg vrijmaken voor nieuwe materialen en methoden.

Zoals je handen, veel moleculen in de natuur bestaan ​​in twee versies die spiegelbeelden van elkaar zijn. "Om onbekende redenen leven zoals we dat op aarde kennen, geeft bijna uitsluitend de voorkeur aan linkshandige eiwitten, terwijl het genoom is georganiseerd als de beroemde rechtshandige dubbele helix, " legt Andrey Jachmenev uit, die dit theoretische werk leidden in de groep van Küpper bij het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). "Al meer dan een eeuw onderzoekers hebben de geheimen van deze handigheid in de natuur ontrafeld, die niet alleen de levende wereld beïnvloedt - spiegelversies van bepaalde moleculen veranderen chemische reacties en veranderen het gedrag van materialen." de rechtshandige versie van caravon (C ₁₀ H ₁₄ O) geeft karwij zijn kenmerkende smaak, terwijl de linkshandige versie een sleutelfactor is voor de smaak van groene munt.

Links-of rechtshandig zijn, of chiraliteit, komt alleen van nature voor in sommige soorten moleculen. "Echter, het kan kunstmatig worden geïnduceerd in zogenaamde symmetrische topmoleculen, ", zegt co-auteur Alec Owens van het Center for Ultrafast Imaging (CUI). "Als deze moleculen snel genoeg worden geroerd, ze verliezen hun symmetrie en vormen twee spiegelvormen, afhankelijk van hun draairichting. Tot dusver, er is zeer weinig bekend over dit fenomeen van rotatie-geïnduceerde chiraliteit, omdat er nauwelijks schema's voor zijn generatie bestaan ​​die experimenteel kunnen worden gevolgd."

Het team van Küpper heeft nu computationeel een manier bedacht om deze rotatie-geïnduceerde chiraliteit te bereiken met realistische parameters in het laboratorium. Het maakt gebruik van kurkentrekkervormige laserpulsen, ook wel optische centrifuges genoemd. Voor het voorbeeld van fosfine (PH ₃ ) hun kwantummechanische berekeningen laten zien dat bij rotatiesnelheden van biljoenen keren per seconde de fosfor-waterstofbinding waar het molecuul om draait korter wordt dan de andere twee van deze bindingen, en afhankelijk van de draairichting, twee chirale vormen van fosfine ontstaan. "Met behulp van een sterk statisch elektrisch veld, de linkshandige of rechtshandige versie van de draaiende fosfine kan worden geselecteerd, " legt Yachmenev uit. "Om nog steeds de ultrasnelle unidirectionele rotatie te bereiken, de kurkentrekker-laser moet worden afgesteld, maar aan realistische parameters."

Dit schema belooft een geheel nieuwe weg door de spiegel in de spiegelwereld, aangezien het in principe ook zou werken met andere, zwaardere moleculen. In feite, deze zouden eigenlijk zwakkere laserpulsen en elektrische velden vereisen, maar waren gewoon te complex om in deze eerste fasen van het onderzoek te worden opgelost. Echter, aangezien fosfine zeer giftig is, dergelijke zwaardere en ook langzamere moleculen zouden waarschijnlijk de voorkeur hebben voor experimenten.

De voorgestelde methode zou op maat gemaakte spiegelmoleculen kunnen opleveren, en het onderzoek naar hun interacties met de omgeving, bijvoorbeeld met gepolariseerd licht, zou moeten helpen om de mysteries van handigheid in de natuur verder door te dringen en het mogelijke gebruik ervan te onderzoeken, verwacht Küpper, die ook hoogleraar natuurkunde en scheikunde is aan de Universität Hamburg:"Het op deze manier vergemakkelijken van een dieper begrip van het fenomeen handigheid zou ook kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van op chiraliteit gebaseerde, op maat gemaakte moleculen en materialen, nieuwe toestanden van materie, en het potentiële gebruik van door rotatie geïnduceerde chiraliteit in nieuwe metamaterialen of optische apparaten."