Los químicos desarrollan un nuevo método para crear estructuras quirales

Algunas moléculas existen en dos formas, de modo que sus estructuras y sus imágenes especulares no son superponibles, como nuestras manos izquierda y derecha. Llamada quiralidad, es una propiedad que tienen estas moléculas debido a su asimetría. Las moléculas quirales tienden a ser ópticamente activas debido a cómo interactúan con la luz. A menudo, en la naturaleza sólo existe una forma de molécula quiral, por ejemplo, el ADN. Curiosamente, si una molécula quiral funciona bien como fármaco, su imagen especular podría resultar ineficaz para la terapia.

Al intentar producir quiralidad artificial en el laboratorio, un equipo dirigido por químicos de la Universidad de California en Riverside ha descubierto que la distribución de un campo magnético es en sí misma quiral.

"Descubrimos que las líneas de campo magnético producidas por cualquier imán, incluido un imán de barra, tienen quiralidad", dijo Yadong Yin, profesor de química, que dirigió el equipo. "Además, también pudimos utilizar la distribución quiral del campo magnético para inducir a las nanopartículas a formar estructuras quirales".

Tradicionalmente, los investigadores han utilizado "plantillas" para crear una molécula quiral. Primero se utiliza una molécula quiral como plantilla. Luego se ensamblan nanopartículas aquirales (o no quirales) en esta plantilla, lo que les permite imitar la estructura de la molécula quiral. El inconveniente de esta técnica es que no se puede aplicar universalmente, ya que depende en gran medida de la composición específica de la molécula plantilla. Otro inconveniente es que la estructura quiral recién formada no se puede colocar fácilmente en una ubicación específica, por ejemplo, en un dispositivo electrónico.

"Pero para obtener un efecto óptico, se necesita una molécula quiral que ocupe un lugar particular en el dispositivo", dijo Yin. “Nuestra técnica supera estos inconvenientes. Somos capaces de formar rápidamente estructuras quirales ensamblando magnéticamente materiales de cualquier composición química a escalas que van desde moléculas hasta nanoestructuras y microestructuras”.

Yin explicó que el método de su equipo utiliza imanes permanentes que giran constantemente en el espacio para generar la quiralidad. Dijo que la transferencia de quiralidad a moléculas aquirales se realiza mediante dopaje, es decir, incorporando especies invitadas, como metales, polímeros, semiconductores y colorantes en las nanopartículas magnéticas utilizadas para inducir la quiralidad.

Los resultados del estudio aparecen hoy en la revista Science.

Yin dijo que los materiales quirales adquieren un efecto óptico cuando interactúan con la luz polarizada. En la luz polarizada, las ondas de luz vibran en un solo plano, lo que reduce la intensidad general de la luz. Como resultado, los lentes polarizados en las gafas de sol reducen el brillo de nuestros ojos, mientras que los lentes no polarizados no lo hacen.

"Si cambiamos el campo magnético que produce la estructura quiral de un material, podemos cambiar la quiralidad, lo que luego crea diferentes colores que pueden observarse a través de las lentes polarizadas", dijo Yin. “Este cambio de color es instantáneo. También se puede hacer que la quiralidad desaparezca instantáneamente con nuestro método, lo que permite un rápido ajuste de la quiralidad”.

Los hallazgos podrían tener aplicaciones en la tecnología antifalsificación. Un patrón quiral que signifique la autenticidad de un objeto o documento sería invisible a simple vista pero visible cuando se ve a través de lentes polarizados. Otras aplicaciones de los hallazgos se encuentran en la detección y el campo de la optoelectrónica.

"Se pueden fabricar dispositivos optoelectrónicos más sofisticados aprovechando la capacidad de sintonización de la quiralidad que permite nuestro método", dijo Zhiwei Li, primer autor del artículo y ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Yin. "En lo que respecta a la detección, nuestro método se puede utilizar para detectar rápidamente moléculas quirales o aquirales relacionadas con determinadas enfermedades, como el cáncer y las infecciones virales".

A Yin y Li se les unió en la investigación un equipo de estudiantes graduados en el laboratorio de Yin, incluidos Qingsong Fan, Zuyang Ye, Chaolumen Wu y Zhongxiang Wang. Li es ahora investigador postdoctoral en la Universidad Northwestern en Illinois.

La investigación fue financiada por una subvención otorgada a Yin por parte de la Fundación Nacional de Ciencias. La Oficina de Asociaciones Tecnológicas de la UCR ha presentado una solicitud de patente relacionada con este trabajo.

El artículo de investigación se titula "Un enfoque de ensamblaje magnético para superestructuras quirales".

Leyenda de la imagen del encabezado: Las fotografías muestran los colores vibrantes exhibidos por una dispersión de nanopartículas magnéticas cuando se someten a campos magnéticos con diferentes distribuciones quirales, como se observa a través de lentes polarizadas. (UCR/laboratorio Yin)