À l’aide de métamatériaux, une équipe de chercheurs en génie électrique de Penn State et de l’Université du Nebraska-Lincoln (UNL) a créé un élément optique ultra-mince capable de contrôler la direction des ondes lumineuses électromagnétiques polarisées. Ce nouveau contrôle permet aux chercheurs non seulement de diriger la chiralité de la lumière, mais également d'identifier la chiralité des molécules en déterminant comment la lumière polarisée interagit avec elles.

L'identification de la chiralité des molécules peut révéler des informations cruciales sur la manière dont elles interagiront avec d'autres systèmes, par exemple si des médicaments spécifiques aideront à guérir les tissus malades ou endommagés sans nuire aux cellules saines. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Nature Communications .

La chiralité fait référence à des images miroir, comme les mains gauche et droite se joignant dans une poignée de main, a expliqué Christos Argyropoulos, professeur agrégé de génie électrique à Penn State et co-auteur correspondant de l'article. En physique, entre autres responsabilités, la chiralité influence la direction dans laquelle les ondes lumineuses tournent.

Argyropoulos et ses collègues ont fabriqué un élément optique, semblable à une lame de verre, qui utilise une forêt de minuscules nanotiges ressemblant à des antennes qui créent ensemble un métamatériau (ou un matériau conçu pour avoir des propriétés spécifiques que l'on ne trouve généralement pas dans la nature) capable de contrôler la rotation. de la lumière. Les nanotiges de métamatériaux semblent avoir la forme de la lettre « L » vues à l'échelle nanométrique.

"Lorsque l'interaction lumière-matière est médiée par les métamatériaux, vous pouvez imager une molécule et identifier sa chiralité en inspectant la façon dont la lumière chirale interagit avec elle", a déclaré Argyropoulos.

Les chercheurs de l'UNL ont utilisé une nouvelle approche de fabrication appelée dépôt à angle oblique pour fabriquer l'élément optique en silicium.

"Le silicium ne dissipe pas sensiblement la lumière incidente qui posait problème avec le métal, que nous avions utilisé lors de tentatives précédentes pour créer cet élément", a déclaré Ufuk Kilic, professeur-chercheur à l'UNL et co-auteur de l'article. "Et le silicium nous a permis d'ajuster la forme et la longueur des nanopiliers sur la plate-forme, ce qui nous permet de changer la façon dont nous contrôlons la lumière."

L'identification de la chiralité des molécules peut avoir des impacts considérables en biomédecine, en particulier dans les médicaments pharmaceutiques, qui ont parfois une chiralité droite ou gauche, a expliqué Argyropoulos. Même si une structure moléculaire à droite peut être efficace pour traiter une maladie, la même molécule avec une structure à gauche peut être toxique pour les cellules saines.

Argyropoulos a cité l'exemple classique de la thalidomide, un médicament à structure chirale prescrit aux femmes pour traiter les nausées matinales entre 1957 et 1962. La molécule droitière pouvait apaiser les nausées mais était hautement toxique pour le développement des fœtus et provoquait des malformations congénitales chez des milliers de personnes. bébés du monde entier.

L'élément optique, a déclaré Argyropoulos, peut rapidement imager la structure moléculaire des produits pharmaceutiques, permettant aux scientifiques de mieux comprendre les nuances du comportement des médicaments.

De plus, l'élément optique peut être utilisé pour créer des ondes électromagnétiques vers la droite ou vers la gauche, a expliqué Argyropoulos, qui sont nécessaires au développement et à la maintenance des systèmes de communication classiques et quantiques, comme le Wi-Fi crypté et les services de téléphonie mobile.

"Auparavant, pour les systèmes de communication optiques, il fallait des appareils gros et encombrants qui ne fonctionnaient qu'à une seule fréquence", a expliqué Argyropoulos. "Ce nouvel élément optique est léger et facilement accordable sur plusieurs fréquences."