Händer och fötter är två exempel på kirala objekt – icke-överlagringsbara spegelbilder av varandra. En bild är tydligt "vänsterhänt, " medan den andra är "högerhänt." Ett enkelt dricksglas och en boll är achirala, vilket innebär att objektet och dess spegelbild ser exakt likadana ut.

I vetenskap, kiralitet är ett grundläggande begrepp inom ett antal discipliner, inklusive medicin. På 1950-talet och början av 60-talet gravida kvinnor ordinerades det lugnande medlet talidomid, men drogen gav fruktansvärda fosterskador hos tusentals barn runt om i världen. Anledningen:Talidomidmolekylen är kiral, och medan den vänstra molekylen verkligen var ett lugnande medel, den högra visade sig senare producera fosteravvikelser.

Tills helt nyligen, liknande "handedness" i filmer med stor yta med precision i atomär skala hade inte undersökts. Forskargruppen i Cornell's Jiwoong Park har brutit ny mark på detta område, utvecklar en kiral atomärt tunn film endast 2-atomer tjock, genom cirkulär stapling av grafen.

Detta material är av intresse inom områdena polarisationsoptik, stereokemi, optoelektronik och spinntransportelektronik, eller spintronik.

"Jag skulle säga att vi har varit nyfikna på det här länge, om vi kan göra detta material, sa Park, docent i kemi och kemisk biologi och en verkställande ledamot av Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science.

Parkgruppens tidning, "Chirala atomiskt tunna filmer, " publicerades 22 februari i Naturens nanoteknik . Park och Cheol-Joo Kim, en postdoktor i kemi och kemisk biologi, designade och genomförde experimenten och var med och skrev uppsatsen.

Bidragsgivare inkluderar Zack Ziegler '16, en huvudämne i teknisk fysik; tidigare Cornell postdoc Yui Ogawa; och Cecilia Noguez från Instituto de Fisica, Universidad Nacional Autonoma de Mexico. Noguez är en av världens ledande beräkningsfysiker, och hon hjälpte till att beräkna Parkgruppens resultat.

"Denna upptäckt och dess bekräftelse kan ha många implikationer i både ren och tillämpad vetenskap, "Noguez sa. "Detta kan användas för att känna av biomolekyler, och för att inducera och kontrollera asymmetrisk katalys, bland andra. Jag är säker på att denna upptäckt öppnar nya forskningsriktningar för andra 2D-material."

För experimentet, Kim och Ogawa odlade grafenark på koppar, skär dem sedan i flera ark. Dessa ark staplades sedan, med varje ark roterat något innan det placeras på det under det. Rotationen gick medurs på en stapel och moturs på den andra för att bilda högerhänta och vänsterhänta högar.

Cirkulärt polariserat ljus – omväxlande vänsterhänta och högerhänta strålar – lyste på högarna, och cirkulär dikroism (eller CD, differentiell absorption av vänster- och högerhänt ljus), mättes. Det är den cirkulära dikroismen hos 3D-glasögon som låter dig se en film i tre dimensioner.

Den speciella grafenfilmens cd var starkare än gruppen räknat med. Efter månader av hårt arbete och några motgångar, den upptäckten kom runt Thanksgiving 2014, och "det var då hela processen accelererade, " sa Kim.

Men efter att ha uppnått detta genombrott i atomär skala, gruppen var tvungen att kvantifiera sina resultat, så det vände sig till Noguez.

"Det är ett av de sällsynta fallen där vi visste exakt vad vi ville ha, så vi visste vilken kvantitet som skulle beräknas, " sa Park. "Det är ingen lätt beräkning, och vi gjorde mycket research och insåg att Cecilia är den bästa personen att göra det här."

Noguez medgav att hennes grupp till en början var förvånad över Parks upptäckter, men genom att analysera dem ytterligare insåg forskningen vettig.

"Vi förutspådde för länge sedan ett liknande beteende för enkelväggiga kolnanorör och mer nyligen i ligandskyddade metallnanopartiklar, " sa hon. "Så till slut, de här resultaten var vettiga för mig."