Schéma expérimental innovant pouvant créer des molécules miroirs

Explorant le mystère de la nature moléculaire dans la nature, les scientifiques ont proposé un nouveau schéma expérimental pour créer des molécules miroirs sur mesure à des fins d'analyse. La technique peut faire en sorte que les molécules ordinaires tournent si vite qu'elles perdent leur symétrie normale et se modifient mutuellement. L'équipe de recherche de DESY, de l'Université de Hambourg et de l'University College London, dirigée par Jochen Küpper, décrit cette méthode innovante dans la revue Lettres d'examen physique. L’exploration plus poussée de la nature manuelle ou de la chiralité (de l’ancien mot grec cheir, "cheir"), non seulement améliore la compréhension du fonctionnement de la nature, mais pourrait également ouvrir la voie à de nouveaux matériaux et méthodes.

Comme vos mains, de nombreuses molécules dans la nature existent en deux versions qui sont des images inversées l’une de l’autre. "Pour des raisons inconnues, la vie telle que nous la connaissons sur Terre préfère presque exclusivement les protéines pour gauchistes, alors que le génome est organisé en fameuse double hélice pour droitier", explique Andrey Yachmenev, qui dirige ce travail théorique dans le groupe Küpper du Centre. pour la science laser à électrons libres (CFEL). "Depuis plus d'un siècle, les chercheurs ont dévoilé les secrets de cette nature naturelle, qui n'affecte pas seulement le monde vivant: des versions miroir de certaines molécules modifient les réactions chimiques et modifient le comportement des matériaux." Par exemple, la version droite du caravone (C_dixH₁₄O) donne au cumin son goût distinctif, tandis que la version pour gaucher est un facteur clé pour le goût de la menthe verte.

La main-d’œuvre, ou chiralité, n’apparaît naturellement que dans certains types de molécules. "Cependant, il peut être induit artificiellement dans des molécules dites à sommet symétrique", explique le co-auteur Alec Owens du Centre pour l'imagerie ultrarapide (CUI). "Si ces molécules sont agitées assez rapidement, elles perdent leur symétrie et forment deux formes miroirs, en fonction de leur sens de rotation. Jusqu'à présent, on sait très peu de choses sur ce phénomène de chiralité induite par rotation, car il n'existe pratiquement aucun schéma permettant de le générer. cela peut être suivi expérimentalement ".

L'équipe de Küpper a maintenant mis au point par ordinateur un moyen de réaliser cette chiralité induite par rotation avec des paramètres réalistes en laboratoire. Il utilise des impulsions laser en forme de tire-bouchon, appelées centrifugeuses optiques. Pour l'exemple de la phosphine (PH₃) leurs calculs quantiques montrent que, à des vitesses de rotation de billions de fois par seconde, la liaison phosphore-hydrogène autour de laquelle la molécule tourne est plus courte que les deux autres de ces liaisons, et selon le sens de rotation, deux formes chirales de phosphine émerger. "En utilisant un champ électrique statique puissant, il est possible de sélectionner la version gauche ou droite de la phosphine en rotation", explique Yachmenev. "Pour obtenir la rotation unidirectionnelle ultra-rapide, le laser tire-bouchon doit être réglé avec précision, mais sur des paramètres réalistes."

Ce schéma promet une voie complètement nouvelle à travers le miroir dans le monde des miroirs, car il fonctionnerait en principe également avec d'autres molécules plus lourdes. En réalité, ils nécessiteraient des impulsions laser et des champs électriques plus faibles, mais ils étaient tout simplement trop complexes pour être résolus au cours de ces premières étapes de l'enquête. Cependant, comme la phosphine est hautement toxique, de telles molécules plus lourdes et plus lentes seraient probablement préférées pour les expériences.

La méthode proposée pourrait fournir des molécules miroirs sur mesure, et l'étude de leurs interactions avec l'environnement, par exemple avec une lumière polarisée, devrait permettre de percer davantage les mystères de la nature humaine et d'explorer son utilisation éventuelle, prévoit Küpper, également Un professeur de physique et de chimie de l'Université de Hambourg a déclaré: "Ce faisant, une compréhension plus approfondie du phénomène de la tolérance pourrait également contribuer au développement de molécules et de matériaux à base de chiralité sur mesure, à de nouveaux états de la matière et à l'utilisation potentielle de chiralité induite par rotation dans de nouveaux métamatériaux ou dispositifs optiques. "

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Plus d'information:
Alec Owens et al, Ascension de l'échelle de rotation vers la chiralité, Lettres d'examen physique (2018). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.193201