En ny fysisk effekt har visats vid University of Bath efter 40 års strävan av fysiker runt om i världen, vilket kan leda till framsteg i kemisk tillverkningseffektivitet, miniatyrisering och kvalitetskontroll i personliga läkemedel.

För första gången någonsin kunde forskargruppen vid Institutionen för fysik använda en fysisk effekt-särskilt färgförändringen av ljus som sprids från kirala molekyler-för att mäta närvarande kiralitet, bekräftar förutsägelser om teoretiskt arbete från 1970 -talet.

Tekniken är 100, 000 gånger känsligare än standardmetoder som används idag.

Kiralitet beskriver molekylernas orientering, som kan existera i vänster eller högerhänta former beroende på hur de vrids i tre dimensioner. Många molekyler avgörande för livet, inklusive DNA, aminosyror och proteiner, uppvisar chiralitet och skicklighet kan helt ändra deras funktion eller egenskaper. Därför är det ofta kritiskt viktigt att känna till ett ämnes chiralitet.

I decennier hade forskare försökt bevisa att du exakt kunde bestämma molekylernas chiralitet genom att mäta en färgförändrande (olinjär) effekt vid belysning med vriden (cirkulärt polariserat) ljus. I teorin, förvrängt ljus kan ändra färg och sedan spridas annorlunda än olika molekyler - men detta hade aldrig visats experimentellt.

Dr Ventsislav Valev, som leder forskargruppen vid Institutionen för fysik vid University of Bath, sa:"Vi har visat en ny fysisk effekt - det får du inte säga varje dag. Det är just därför jag började med vetenskap.

"Vi började tänka på problemet för 13 år sedan, tillsammans med prof Thierry Verbiest, på KU Leuven, Belgien. Eftersom effekten var så svårfångad, Jag visste att hälften av lösningen skulle vara att utveckla en mycket känslig experimentell inställning. Detta är vad jag gjorde i många år. Den andra halvan var att hitta de rätta proverna och jag var verkligen exalterad över att upptäcka de nanoskopiska silverfjädrarna (nano-helixerna) tillverkade av prof Peer Fischers grupp, vid Max Planck Institute for Intelligent Systems, i Stuttgart, Tyskland."

Ph.D. studenten Joel Collins hade ett otroligt ögonblick när han körde en serie tester på dessa fjädrar.

Han sa:"För att vara ärlig var min inställning nästan" OK, låt oss få bort det här för att se till att det inte fungerar och vi kan gå vidare till något annat ". Sedan, tillsammans med min kollega Dr. Kristina Rusimova, vi märkte att det faktiskt verkade finnas en effekt, och jag tänkte "Hmmmm, det är intressant.'

"Vi fortsatte att upprepa experimentet för att se till att det faktiskt var en verklig effekt och vi såg att det inte bara är det utan det är enormt-vi använde bara riktigt låga koncentrationer av våra nano-helixer.

"För min del, Jag insåg inte riktigt hur viktigt det är, och förväntade sig att någon skulle följa med och slita sönder den, att säga - "du har inte tänkt på det" eller "du har missat det här". Men med tiden har det gått upp för mig - att det här faktiskt är ett fantastiskt resultat. "

Den experimentella geometrin är faktiskt ganska enkel; nano-fjädrarna sprids i vatten i en glasbehållare där de sprids slumpmässigt. Då riktas en laser mot dem. Lasarens vridning (cirkulär polarisation) växlas periodiskt och ljus som sprids från behållaren vid 90 ° analyseras för att bestämma kiraliteten hos de närvarande fjädrarna. Forskningen publiceras i Fysisk granskning X .

Dr Valev tillade:"Det har tagit 40 år, människor har letat efter detta utan framgång, och inte av bristande försök. Det är fantastiskt. Teorin var ganska kontroversiell, folk trodde att effekten kanske var omöjlig att observera, kanske var det något annat, blockerar det.

"I 200 år, forskare har använt samma metod för att mäta kiralitet. Det är inte särskilt känsligt, men det är robust och enkelt, Men exakta mätningar av kiralitet har blivit ett stort hinder för mänskligt tillverkad kiral nanoteknik på grund av falska positiva.

"Nu har vi en metod 100, 000 gånger känsligare, fri från falska positiva. Det är en ny typ av tillverkningsprocess som för närvarande växer fram. Det kallas 'lab-on-a-chip' och vår effekt passar mycket bra med det.

"Ett mer känsligt test innebär att du kan använda lägre mängder i kvalitetskontroll och minska avfall, det finns tillämpningar inom kemisk och farmaceutisk tillverkning, liksom i mikrofluidik, inom miniatyrisering och för utveckling av personlig farmaceutisk teknik. "

Avancerade laserkällor, känslig detekteringsutrustning och toppmodern nanofabrikationsteknik har alla gått ihop för att möjliggöra experimentell observation av den nya effekten.

Professor David Andrews, från University of East Anglia, teoretiserade effekten för 40 år sedan. Han sa:"Dr Valevs banbrytande arbete är en smart och mycket betydelsefull prestation, för han har insett ett slags tillämpning som aldrig hade kunnat föreställas när teorin först lades, för fyrtio år sedan.

"Hans resultat tjänar som en uppmuntran till alla rena teoretiker!"

Nästa, forskarna kommer att använda sina resultat för att karakterisera kirala molekyler och för att utveckla dess tekniska tillämpningar.

Tidningen "Första observation av optisk aktivitet vid hyper-Rayleigh-spridning" publiceras i Fysisk granskning X .