Utforska mysteriet med molekylär handenhet i naturen, forskare har föreslagit ett nytt experimentellt system för att skapa skräddarsydda spegelmolekyler för analys. Tekniken kan få vanliga molekyler att snurra så snabbt att de tappar sin normala symmetri och form och bildar spegelvända versioner av varandra. Forskargruppen från DESY, Universität Hamburg och University College London under ledning av Jochen Küpper beskriver den innovativa metoden i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Den ytterligare utforskningen av handenhet, eller chiralitet (från det antika grekiska ordet för hand, "cheir"), förbättrar inte bara insikten om hur naturen fungerar, men skulle också kunna bana väg för nya material och metoder.

Som dina händer, många molekyler i naturen finns i två versioner som är spegelbilder av varandra. "Av okänd anledning, livet som vi känner det på jorden föredrar nästan uteslutande vänsterhänta proteiner, medan genomet är organiserat som den berömda högerhänta dubbelhelixen, " förklarar Andrey Yachmenev, som leder detta teoretiska arbete i Küppers grupp vid Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). "I mer än ett sekel, forskare har avslöjat hemligheterna bakom denna handenhet i naturen, som inte bara påverkar den levande världen - spegelversioner av vissa molekyler förändrar kemiska reaktioner och förändrar material beteende." Till exempel, den högerhänta versionen av caravone (C ₁₀ H ₁₄ O) ger kummin sin distinkta smak, medan den vänsterhänta versionen är en nyckelfaktor för smaken av grönmynta.

Handlighet, eller kiralitet, förekommer endast naturligt i vissa typer av molekyler. "Dock, det kan artificiellt induceras i så kallade symmetriska toppmolekyler, " säger medförfattaren Alec Owens från Center for Ultrafast Imaging (CUI). "Om dessa molekyler rörs om tillräckligt snabbt, de tappar sin symmetri och bildar två spegelformer, beroende på deras rotationskänsla. Än så länge, mycket lite är känt om detta fenomen med rotationsinducerad kiralitet, eftersom det knappt finns några scheman för dess generation som kan följas experimentellt."

Küppers team har nu beräkningsmässigt utarbetat ett sätt att uppnå denna rotationsinducerade kiralitet med realistiska parametrar i labbet. Den använder korkskruvsformade laserpulser som kallas optiska centrifuger. Till exempel fosfin (PH ₃ ) deras kvantmekaniska beräkningar visar att vid rotationshastigheter på biljoner gånger per sekund blir fosfor-vätebindningen som molekylen roterar runt kortare än de andra två av dessa bindningar, och beroende på rotationskänslan, två kirala former av fosfin uppstår. "Med hjälp av ett starkt statiskt elektriskt fält, den vänster- eller högerhänta versionen av den snurrande fosfinen kan väljas, " förklarar Yachmenev. "För att fortfarande uppnå den ultrasnabba enkelriktade rotationen, korkskruvlasern måste finjusteras, men till realistiska parametrar."

Detta schema lovar en helt ny väg genom spegelglaset in i spegelvärlden, eftersom det i princip även skulle fungera med andra, tyngre molekyler. Faktiskt, dessa skulle faktiskt kräva svagare laserpulser och elektriska fält, men var alldeles för komplexa för att kunna lösas i dessa första skeden av utredningen. Dock, eftersom fosfin är mycket giftigt, sådana tyngre och även långsammare molekyler skulle förmodligen vara att föredra för experiment.

Den föreslagna metoden skulle kunna leverera skräddarsydda spegelmolekyler, och undersökningen av deras interaktioner med miljön, till exempel med polariserat ljus, bör hjälpa till att ytterligare penetrera naturens mysterier och utforska dess möjliga användning, förväntar sig Küpper, som också är professor i fysik och kemi vid Universität Hamburg:"Att underlätta en djupare förståelse av fenomenet handedness på detta sätt skulle också kunna bidra till utvecklingen av kiralitetsbaserade skräddarsydda molekyler och material, nya materienstillstånd, och det potentiella utnyttjandet av rotationsinducerad kiralitet i nya metamaterial eller optiska enheter."