Forschung & Entwicklung

Chirales Licht hält Enantiomere auseinander

Licht bietet den schnellsten Weg, um chirale Moleküle zu unterscheiden. Herkömmliches Licht spricht aber nur schwach auf die molekulare Chiralität an. Ein synthetisches chirales Licht macht die Chiralität von Molekülen besonders eindeutig sichtbar.

Die Chiralität von Molekülen spielt eine entscheidende Rolle in der Chemie, in der Biologie und bei der Arzneimittelentwicklung. Während die eine Variante des Moleküls eine Krankheit heilt, kann das Enantiomer giftig oder sogar tödlich sein. Dabei ist es extrem schwierig, die chiralen Moleküle zu unterscheiden. Sie sehen identisch aus und verhalten sich identisch – es sei denn, sie treffen auf ein anderes chirales Objekt; dazu gehört Licht.

Die Schwingungen des elektromagnetischen Felds von Licht zeichnen eine korkenzieherförmige Spirale entlang seiner Ausbreitungsrichtung. Je nachdem, ob sich die Windung der Lichtwelle im Uhrzeigersinn oder gegen ihn dreht, ist sie entweder rechts- oder linkshändig. Chirale Moleküle können damit auf unterschiedliche Weise wechselwirken. Die durch die Lichtwellenlänge vorgegebene Weite der Schraubenlinie ist jedoch rund tausend Mal größer als ein Molekül. Deshalb nehmen Moleküle die Lichtschraube eher als einen riesigen Kreis wahr und reagieren kaum auf dessen chiralen Charakter.

Einen innovativen Weg, dieses Problem zu umgehen, hat nun ein Forscherteam des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), des Israel Institute of Technology (Technion) und der Technischen Universität Berlin vorgeschlagen. Sie haben eine völlig neue Art chirales Licht entwickelt, das eine chirale Struktur zu jeder Zeit an jedem einzelnen Punkt im Raum zeichnet. „Die Händigkeit dieses neuen Lichts lässt sich so einstellen, dass das eine Enantiomer aktiv mit ihm wechselwirkt und helles Licht als Antwort aussendet, während das gespiegelte Enantiomer überhaupt nicht mit ihm reagiert“, erklärt Dr. David Ayuso vom MBI.

Die Wissenschaftler haben dieses neue chirale Licht mathematisch beschrieben und ihr Modell getestet. Dazu haben sie simuliert, wie diese Lichtstrahlen mit chiralen Molekülen wechselwirken. Darüber hinaus gelang es ihnen zu zeigen, wie man solches Licht im Labor erzeugt- und zwar indem man zwei konvergierende Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz miteinander verschmilzt. Sie können die Händigkeit dieses synthetischen chiralen Lichts kontrollieren, indem sie die Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Frequenzen nutzen. Dadurch lässt sich auswählen, welche Art von Molekülen intensiv mit diesem Licht wechselwirken.

„Synthetisches chirales Licht wird durch vollkommen neue intrinsische Symmetrieeigenschaften für elektromagnetische Felder beschrieben, was sehr spannend ist“, sagt Ofer Neufeld vom Technion.

Die Forscher sehen eine Vielzahl möglicher Anwendungen für ihr neues Verfahren in Chemie und Biologie. Synthetisches chirales Licht könnte es ermöglichen, chirale chemische Reaktionen in Echtzeit zu beobachten oder auch einen Wechsel bei der Chiralität von Molekülen nachzuweisen. Sie hoffen auch, diesen neuen Ansatz nutzen zu können, um Moleküle mit entgegengesetzter Händigkeit mit ultraschnellen Lasern räumlich voneinander zu trennen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[D. Ayuso, O. Neufeld, A. F. Ordonez, P. Decleva, G. Lerner, O. Cohen, M. Ivanov, O. Smirnova, Synthetic chiral light for efficient control of chiral light–matter interaction, Nat. Photonics (2019), DOI: 10.1038/s41566-019-0531-2]

www.mbi-berlin.de

www.technion.ac.il

Firmeninformationen
© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten