Handen en voeten zijn twee voorbeelden van chirale objecten - niet-superponeerbare spiegelbeelden van elkaar. Eén afbeelding is duidelijk "linkshandig, " terwijl de andere "rechtshandig" is. Een eenvoudig drinkglas en een bal zijn achiraal, wat betekent dat het object en zijn spiegelbeeld er precies hetzelfde uitzien.

In de wetenschap, chiraliteit is een fundamenteel concept in een aantal disciplines, inclusief medicijnen. In de jaren vijftig en begin jaren zestig zwangere vrouwen kregen het kalmerende middel thalidomide voorgeschreven, maar het medicijn veroorzaakte gruwelijke geboorteafwijkingen bij duizenden kinderen over de hele wereld. De reden:het thalidomidemolecuul is chiraal, en hoewel het linkermolecuul inderdaad een kalmerend middel was, de rechterhand bleek later foetale afwijkingen te produceren.

Tot voorkort, vergelijkbare "handigheid" in films met een groot oppervlak met precisie op atomaire schaal was niet onderzocht. Het onderzoeksteam van Cornell's Jiwoong Park heeft nieuwe wegen ingeslagen op dit gebied, het ontwikkelen van een chirale atomair dunne film van slechts 2 atomen dik, door cirkelvormige stapeling van grafeen.

Dit materiaal is interessant op het gebied van polarisatie-optica, stereochemie, opto-elektronica en spintransportelektronica, of spintronica.

"Ik zou zeggen dat we hier al lang nieuwsgierig naar zijn, of we dit materiaal kunnen maken, " zei Park, universitair hoofddocent chemie en chemische biologie en een uitvoerend lid van het Kavli Institute bij Cornell voor Nanoscale Science.

De krant van de Parkgroep, "Chirale atomair dunne films, " werd gepubliceerd op 22 februari in Natuur Nanotechnologie . Park en Cheol-Joo Kim, een postdoctoraal onderzoeker in de chemie en chemische biologie, ontwierp en voerde de experimenten uit en schreef mee aan de paper.

Bijdragen zijn onder meer Zack Ziegler '16, een technische fysica major; voormalig Cornell-postdoc Yui Ogawa; en Cecilia Noguez van het Instituto de Fisica, Universidad Nacional Autonoma de Mexico. Noguez is een van 's werelds toonaangevende computerfysici, en ze hielp bij het berekenen van de resultaten van de Park-groep.

"Deze ontdekking en de bevestiging ervan kan veel implicaties hebben in zowel de pure als de toegepaste wetenschap, "Zei Noguez. "Dit kan worden toegepast voor het detecteren van biomoleculen, en om asymmetrische katalyse te induceren en te beheersen, onder andere. Ik ben er zeker van dat deze ontdekking nieuwe onderzoeksrichtingen opent voor andere 2D-materialen."

Voor het experiment, Kim en Ogawa kweekten grafeenplaten op koper, knip ze vervolgens in meerdere vellen. Die vellen werden vervolgens gestapeld, waarbij elk vel een beetje is gedraaid voordat het op het blad eronder wordt geplaatst. De rotatie ging met de klok mee op de ene stapel en tegen de klok in op de andere om rechtshandige en linkshandige stapels te vormen.

Circulair gepolariseerd licht - afwisselend linkshandige en rechtshandige stralen - werd op de stapels geschenen, en circulair dichroïsme (of CD, de differentiële absorptie van links- en rechtshandig licht), was gemeten. Het is het circulaire dichroïsme van 3D-brillen waarmee je een film in drie dimensies kunt zien.

De cd van de speciale grafeenfilm was sterker dan de groep had verwacht. Na maanden hard werken en wat tegenslagen, die ontdekking kwam rond Thanksgiving 2014, en "dat was toen het hele proces versnelde, ' zei Kim.

Maar na het bereiken van deze doorbraak op atomaire schaal, de groep moest zijn resultaten kwantificeren, dus het wendde zich tot Noguez.

"Het is een van die zeldzame gevallen waarin we precies wisten wat we wilden, zodat we wisten welke hoeveelheid berekend moest worden, "Zei Park. "Het is geen gemakkelijke berekening, en we hebben veel onderzoek gedaan en kwamen tot de conclusie dat Cecilia de beste persoon is om dit te doen."

Noguez gaf toe dat haar groep aanvankelijk verrast was door de bevindingen van Park, maar bij het analyseren ervan realiseerde ik me verder dat het onderzoek zinvol was.

"We voorspelden lang geleden een soortgelijk gedrag voor enkelwandige koolstofnanobuizen en meer recentelijk in ligand-beschermde metalen nanodeeltjes, "zei ze. "Dus uiteindelijk, die resultaten waren logisch voor mij."