La luz quiral sintética interacciona selectivamente con una de las dos versiones de una molécula quiral (la izquierda o la derecha). Como consecuencia, la versión seleccionada comienza a brillar de forma intensa, mientras que su “gemelo espejo” permanece oscuro  /  Imagen producida por Steven Roberts

Un equipo de investigadores del Instituto Max-Born de Berlín, liderado por Olga Smirnova, profesora de la Universidad Técnica de Berlín, ha realizado un importante descubrimiento en el campo de la física que acaba de aparecer publicado en la revista Nature Photonics (*). Para desarrollar su trabajo, los especialistas del Max-Born han colaborado también con científicos del Israel Institute of Technology de Haifa y de la Universidad de Trieste, en Italia.

Según explica David Ayuso, autor principal del trabajo, el descubrimiento realizado consiste en que “hemos diseñado un nuevo tipo de luz que permite distinguir y controlar, completamente, moléculas quirales opuestas, algo que no había sido logrado hasta ahora. Nuestro trabajo abre la puerta al desarrollo de importantes aplicaciones tecnológicas en los campos de la química y la biología, por ejemplo, en la creación de nuevos fármacos o nanomateriales”.

Quiralidad

¿Pero qué es la quiralidad? Al igual que nuestras manos, algunas moléculas tienen quiralidad: aparecen en la naturaleza en parejas de lo que podemos denominar “gemelos espejo”. Es decir, a pesar de que una mano derecha se convierte en una mano izquierda si la miramos en un espejo, está claro que una mano derecha y una mano izquierda son diferentes. Lo mismo ocurre con muchas moléculas de relevancia biológica y otros objetos microscópicos.

Las versiones izquierda y derecha de una molécula quiral son, en general, muy similares. Sin embargo, algunas de sus propiedades pueden ser muy diferentes. La quiralidad juega un papel fundamental en la química y en la biología. Por ejemplo, en el desarrollo de fármacos: mientras que una determinada molécula puede curar una enfermedad, su “gemelo espejo”, o enantiómero, puede ser tóxico o incluso letal.

Es extremadamente difícil distinguir e identificar moléculas quirales opuestas, porque se comportan de forma idéntica a menos que interactúen con otro objeto quiral. La luz ha sido durante mucho tiempo el candidato perfecto: las oscilaciones del campo electromagnético dibujan una hélice quiral en el espacio, a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Dependiendo de si la hélice gira en sentido horario o anti-horario, la onda de luz tiene quiralidad izquierda o derecha, y puede interactuar de forma distinta con enantiómeros opuestos. Sin embargo, el tamaño de esta hélice, que viene dado por la longitud de onda de la luz, es aproximadamente mil veces más grande que el tamaño de las moléculas. Esto supone un problema: las pequeñas moléculas perciben la luz no como una hélice, sino como un círculo gigantesco, y apenas pueden sentir su quiralidad.

La solución a este problema, propuesta por el equipo de Instituto Max-Born y sus colaboradores, consiste en sintetizar un tipo de luz quiral completamente nuevo, que dibuja una estructura quiral no en el espacio, sino en el tiempo. Según explica David Ayuso, “la quiralidad de esta nueva luz se puede ajustar para que un enantiómero interactúe activamente con ella y emita luz brillante en respuesta, mientras que su ‘gemelo espejo’ no interactúe con ella en absoluto. La luz quiral sintética nos permite distinguir enantiómeros opuestos con una sensibilidad enorme, varios ordenes de magnitud superior a la de los métodos ópticos tradicionales”.

Andrés Ordoñez, estudiante de doctorado en el Instituto Max-Born, añade que el artículo que acaba de publicar la revista cientifica Nature Photonics describe matemáticamente las propiedades de este nuevo tipo de luz, “y en el mismo demostramos nuestras predicciones mediante simulaciones computacionales”. Además, los investigadores proponen cómo generar esta luz en un laboratorio: fusionando dos rayos láser convergentes que transportan ondas de luz de dos frecuencias distintas. Al ajustar el desfase entre las diferentes frecuencias, podemos controlar la quiralidad de esta luz sintética y seleccionar con qué tipo de moléculas (de quiralidad izquierda o derecha) interactuará fuertemente.

Según la profesora Olga Smirnova, este trabajo revolucionario “abre la puerta a una amplia variedad de aplicaciones en los campos de la química y la biología. Por ejemplo, la luz quiral sintética puede permitirnos visualizar e incluso manipular reacciones químicas quirales en tiempo real, o inducir cambios en la quiralidad de las moléculas. También esperamos poder utilizarla para separar espacialmente moléculas quirales opuestas utilizando láseres ultrarrápidos”.

(*) Synthetic chiral light for efficient control of chiral light-matter interaction

Autores: David Ayuso, Ofer Neufeld, Andres F. Ordonez, Piero Decleva, Gavriel Lerner, Oren Cohen, Misha Ivanov, Olga Smirnova

• DOI number: 10.1038/s41566-019-0531-2

• URL: https://www.nature.com/articles/s41566-019-0531-2