Een nieuw fysiek effect is aangetoond aan de Universiteit van Bath na 40 jaar streven door natuurkundigen over de hele wereld, wat zou kunnen leiden tot verbeteringen in de efficiëntie van chemische productie, miniaturisatie en kwaliteitscontrole in gepersonaliseerde geneesmiddelen.

Voor de eerste keer ooit was het onderzoeksteam van de afdeling Natuurkunde in staat om een ​​fysiek effect te gebruiken - met name de kleurverandering van licht dat wordt verstrooid door chirale moleculen - om de aanwezige chiraliteit te meten, bevestiging van voorspellingen van theoretisch werk uit de jaren zeventig.

De techniek is 100, 000 keer gevoeliger dan de standaardmethoden die tegenwoordig worden gebruikt.

Chiraliteit beschrijft de oriëntatie van moleculen, die kunnen bestaan ​​in links- of rechtshandige vormen, afhankelijk van hoe ze in drie dimensies draaien. Veel moleculen die essentieel zijn voor het leven, inclusief DNA, aminozuren en eiwitten, vertonen chiraliteit en de handigheid kan hun functie of eigenschappen totaal veranderen. Daarom is het vaak van cruciaal belang om de chiraliteit van een stof te kennen.

Decennia lang hebben wetenschappers geprobeerd te bewijzen dat je de chiraliteit van moleculen nauwkeurig kunt bepalen door een van kleur veranderend (niet-lineair) effect te meten bij belichting met gedraaid (circulair gepolariseerd) licht. In theorie, gedraaid licht kan van kleur veranderen en dan anders verstrooien dan andershandige moleculen, maar dit was nooit experimenteel aangetoond.

Dr. Ventsislav Valev, die de onderzoeksgroep leidt in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Bath, zei:"We hebben een nieuw fysiek effect aangetoond - dat mag je niet elke dag zeggen. Dit is precies waarom ik in de wetenschap ben gestapt.

"We begonnen 13 jaar geleden over het probleem na te denken, samen met Prof Thierry Verbiest, aan de KU Leuven, België. Omdat het effect zo ongrijpbaar was, Ik wist dat de helft van de oplossing zou zijn om een ​​zeer gevoelige experimentele opstelling te ontwikkelen. Dit is wat ik jarenlang heb gedaan. De andere helft was het vinden van de juiste monsters en ik was erg opgewonden om de nanoscopische zilveren veren (nano-helices) te ontdekken die zijn gefabriceerd door de groep van Prof Peer Fischer, aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, in Stuttgart, Duitsland."

doctoraat student Joel Collins had een ongelooflijk moment toen hij een reeks tests op deze veren uitvoerde.

Hij zei:"Om eerlijk te zijn, was mijn houding bijna 'OK, laten we dit uit de weg ruimen om ervoor te zorgen dat het niet werkt en we naar iets anders kunnen gaan'. Dan, samen met mijn collega Dr. Kristina Rusimova, we merkten dat er inderdaad een effect leek te zijn, en ik dacht 'Hmmmm, dat is interessant.'

"We bleven het experiment herhalen om er zeker van te zijn dat het echt een echt effect was en we zagen dat het er niet alleen is, maar ook enorm - we gebruikten alleen heel lage concentraties van onze nanohelices.

"Voor mijn part, Ik herkende niet echt hoe belangrijk het is, en verwachtte dat iemand langs zou komen om het aan flarden te scheuren, om te zeggen - 'daar heb je niet aan gedacht' of 'je hebt dit gemist'. Maar na verloop van tijd drong het tot me door - dat dit eigenlijk een fantastisch resultaat is."

De experimentele geometrie is in feite vrij eenvoudig; de nano-veren worden verspreid in water in een glazen container waar ze zich willekeurig verspreiden. Dan wordt er een laser op hen gericht. De twist (circulaire polarisatie) van de laser wordt periodiek geschakeld en het licht dat onder een hoek van 90° uit de container wordt verstrooid, wordt geanalyseerd om de chiraliteit van de aanwezige veren te bepalen. Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

Dr. Valev voegde toe:"Het heeft 40 jaar geduurd, mensen hebben hier zonder succes naar gezocht, en niet bij gebrek aan proberen. Het is geweldig. De theorie was nogal controversieel, mensen dachten dat het effect misschien niet waar te nemen was, misschien was er iets anders, het blokkeren.

"Al 200 jaar wetenschappers hebben dezelfde methode gebruikt om chiraliteit te meten. Het is niet erg gevoelig, maar het is robuust en eenvoudig, nauwkeurige metingen van chiraliteit zijn echter een grote hindernis geworden voor door mensen gemaakte chirale nanotechnologie vanwege valse positieven.

"Nu hebben we een methode 100, 000 keer gevoeliger, vrij van valse positieven. Er is momenteel een nieuw soort productieproces in opkomst. Het heet 'lab-on-a-chip' en ons effect past daar heel goed bij.

"Een gevoeligere test betekent dat u kleinere hoeveelheden kunt gebruiken bij kwaliteitscontrole en afval kunt verminderen, er zijn toepassingen in de chemische en farmaceutische productie, evenals in microfluïdica, in miniaturisatie en voor de ontwikkeling van persoonlijke farmaceutische technologieën."

Geavanceerde laserbronnen, gevoelige detectieapparatuur en ultramoderne nanofabricagetechnieken zijn allemaal samengekomen om de experimentele observatie van het nieuwe effect mogelijk te maken.

Professor David Andrews, van de Universiteit van East Anglia, Theoretiseerde het effect 40 jaar geleden. Hij zei:"Dr. Valev's pionierswerk is een slimme en zeer belangrijke prestatie, want hij heeft een soort toepassing gerealiseerd die men zich nooit had kunnen voorstellen toen de theorie voor het eerst werd gelegd, veertig jaar geleden.

"Zijn resultaten dienen als een aanmoediging voor alle pure theoretici!"

Volgende, de onderzoekers zullen hun bevindingen gebruiken om chirale moleculen te karakteriseren en de technologische toepassingen ervan te ontwikkelen.

Het artikel "Eerste waarneming van optische activiteit in hyper-Rayleigh-verstrooiing" is gepubliceerd in: Fysieke beoordeling X .