Controllare la chiralità con la radiazione

Un esperimento ha permesso di realizzare strutture nanoscopiche la cui chiralità può essere commutata rapidamente da levogira a destrogira e viceversa utilizzando una radiazione elettromagnetica a terahertz. Le applicazioni possibili vanno dai dispositivi biomedicali agli impianti di sicurezza, fino alle tecnologie per le telecomunicazioni  (red)

Da levogira a destrogira, e viceversa, in un baleno: un gruppo di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti è riuscito a dimostrare la commutazione della chiralità di una molecola mediante un semplice fascio di radiazione. Il risultato, illustrato sulle pagine di “Nature Communications”, potrebbe aprire la strada a un'ampia gamma di applicazioni, dai dispositivi biomedicali agli impianti di sicurezza, per finire con le tecnologie per le telecomunicazioni.

La chiralità delle molecole, vale a dire la proprietà di avere un'immagine speculare ma non sovrapponibile, è di fondamentale importanza in molti processi chimici, poiché gli enantiomeri - le due forme simmetriche “allo specchio” di strutture chimiche identiche - non sono equivalenti dal punto di vista biochimico. Come si imparò, per esempio, a caro prezzo nel caso del talidomide, farmaco antiemetico in commercio alla fine degli anni cinquanta, che nella forma levogira produce gravi malformazioni al feto se assunto durante la gestazione. O come nel caso del limonene, una molecola presente nella buccia degli agrumi, in cui uno dei due enantiomeri profuma di limone mentre l'altro di arancia.

 L'insieme delle metamolecole chirali come si presentano al microscopio elettronico (Cortesia Xiang Zhang, et. al)

"Nel caso di molecole di origine naturale è possibile indurre la commutazione di chiralità ma il processo, che prevede cambiamenti strutturali a livello molecolare, è lento e avviene con una bassa probabilità”, ha spiegato Xiang Zhang, che ha partecipato alla ricerca. “Con le nostre molecole artificiali, abbiamo dimostrato la possibilità di una commutazione dinamica di estrema rapidità”.

Oggetto della ricerca erano "metamolecole" costruite a partire da placchette di oro di dimensioni

nanometriche in modo da produrre strutture chirali artificiali. Queste metamolecole erano state integrate in un mezzo di silicio fotoattivo. Una volta eccitate con un fascio di radiazione esterna, è stata osservata l'emissione di un fascio di radiazione di luce polarizzata circolarmente, indice dell'avvenuta commutazione da un enantiomero all'altro di queste strutture artificiali.

“Se si assemblano due strutture di chiralità opposta per formare una metamolecola, la simmetria speculare viene preservata, con il risultato della scomparsa della risposta ottica”, ha sottolineato Zhang. "In altre parole, le due risposte ottiche si annullano a vicenda”.

Particolare delle metamolecole chirali reattive alla radiazione: in viola, marrone e azzurro sono evidenziati i diversi strati di oro; in verde le parti in silicio (Cortesia Xiang Zhang, et. al)

Per ovviare al fenomeno, che può rendere vano qualunque tentativo di controllare la chiralita della molecola dall'esterno, sono stati inseriti elementi di silicio in entrambi gli enantiomeri, ma in differenti posizioni. Rompendo la simmetria speculare è stata così indotta una chiralità anche nella metamolecola conplessiva.

Un particolare importante è che la radiazione elettromagnetica utilizzata è nella regione di frequenze dei terahertz (mille miliardi di cicli al secondo) ovvero all'interno dell'intervallo di risonanza delle vibrazioni delle molecole: proprio questa caratteristiche la rende un mezzo non invasivo ideale per analizzare i costituenti chimici di materiali organici e inorganici.