Nuevos metamateriales capaces de detectar la quiralidad molecular
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La quiralidad es una propiedad presente en la naturaleza que consiste en la no superposición de un objeto con su imagen especular, o, lo que es lo mismo, su reflejo en un espejo. Así, por ejemplo, la mano derecha no se puede superponer a su imagen especular, que es la mano izquierda. A pesar de que su fórmula molecular es idéntica, la orientación tridimensional es diferente.
La detección de estructuras quirales a través de espectroscopia quiral es fundamental en química, biología y la industria farmacéutica, puesto que proporciona información importante sobre las estructuras secundarias de proteínas, transiciones electrónicas y conformación de pequeñas moléculas. Sin embargo, detectar la quiralidad molecular resulta muy complicado, puesto que la señal que aparece en el espectrómetro es tan débil que es difícil identificar estas diferencias en la estructura molecular.
Para avanzar en este campo, el grupo de investigación Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) trabajará en el proyecto CELICOIDS - Nanohelicoid metamaterials templated by cellulose nanocrystals with end-tethered polymers, en el marco del cual se desarrollarán nuevos metamateriales −materiales diseñados para tener una propiedad que no se encuentra en la naturaleza− capaces de aumentar la sensibilidad espectroscópica para distinguir la quiralidad molecular. Estos metamateriales, con forma helicoidal, se obtendrán a partir de celulosa, un polisacárido extraído del papel, algodón u otras fibras vegetales, a la cual se aplicará un tratamiento de hidrólisis que permitirá extraer nanocristales de celulosa, a los cuales se acoplarán, en los extremos, polímeros funcionales sintéticos. Estos nanocristales modificados se utilizarán como plantilla para fabricar metamateriales metálicos.
Resultados e impacto esperado
Los cristales líquidos de celulosa al secarse, son capaces de autoensamblarse para formar estructuras helicoidales. La novedad radica en el hecho que ahora se modificarán los extremos de estos cristales nanométricos para adjuntar polímeros funcionales sintéticos que guiarán la formación de nanohelicoides metálicos.
Como resultado, se obtendrá una película que se podrá impregnar con metales como el oro, por ejemplo, el cual quedará inmovilizado en los extremos, donde se encuentran estos polímeros funcionales. Después de cristalizar el metal y de eliminar la plantilla de celulosa modificada, el objetivo final es conseguir una estructura metálica helicoidal nueva, parecida a un caracol o tornillo de Arquímedes, en escala nano. Este procedimiento es pionero, puesto que, hasta ahora, no ha sido posible fabricar estructuras metálicas tan complejas mediante el autoensamblaje.
La estructura resultante también será quiral y tendrá propiedades electromagnéticas no observadas en la naturaleza, que mejorarán la detección de moléculas quirales en diferentes campos de investigación. Así, cuando se combinen en una solución de estereoisómeros, lo harán actuar como vehículo de comunicación entre la luz y las pequeñas moléculas quirales, amplificando la señal global de su detección en la espectroscopia, como el dicroísmo circular.
Las aplicaciones finales de estos nuevos metamateriales van desde la óptica quiral a su uso en nanodispositivos, máquinas y sensores quirales, además de aplicaciones en los campos de la biología o la industria farmacéutica. También pueden ser una base para futuros dispositivos de encubrimiento de invisibilidad y lentes para imágenes de superresolución en ciencias naturales y en el ámbito médico.
Además, el proceso de ingeniería propuesto, basado únicamente en el autoensamblaje, representa un cambio de paradigma en la investigación y la manufactura de metamateriales al simplificar la fabricación de metamateriales quirales, actualmente basada en procesos complejos y costosos a partir de la deposición de vapor al vacío.
Presupuesto y financiación
CELICOIDS está financiado con cerca de dos millones de euros, gracias a una de las ayudas del Consejo Europeo de Investigación (ERC, por las siglas en inglés de European Research Council), dentro del programa Horizon Europe. El proyecto tiene una duración de 5 años (marzo 2023 - febrero 2028).
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