La quiralitat és una propietat present a la natura que consisteix en la no superposició d'un objecte amb la seva imatge especular, o, el que és el mateix, el seu reflexe en un mirall. Així, per exemple, la mà dreta no es pot superposar a la seva imatge especular, que és la mà esquerra. Tot i que la seva fórmula molecular és idèntica, l'orientació tridimensional és diferent.

La detecció d'estructures quirals a través d'espectroscòpia quiral és fonamental en química, biologia i indústria farmacèutica, ja que proporciona informació important sobre les estructures secundàries de proteïnes, transicions electròniques i conformació de petites molècules. No obstant, detectar la quiralitat molecular és molt complicat, ja que el senyal que resulta en l'espectròmetre és tan dèbil que fa difícil identificar aquestes diferències en l'estructura molecular.   

Per avançar en aquest camp, el Consell Europeu de Recerca (ERC, per les sigles en anglès d'European Research Council) ha atorgat una beca Consolidator Grant a Justin Zoppe, investigador del grup de recerca Polyfunctional Polymeric materials (POLY2), professor lector Serra Húnter del Departament de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) i que imparteix docència a l'Escola d'Enginyeria de Barcelona Est (EEBE) i a l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB) .

En concret, en el marc del projecte 'CELICOIDS - Nanohelicoid metamaterials templated by cellulose nanocrystals with end-tethered polymers',  l'investigador desenvoluparà nous metamaterials −materials dissenyats per tenir una propietat que no es troba en la natura− amb el potencial d'augmentar la sensibilitat espectroscòpica per distingir la quiralitat molecular. Aquests metamaterials, amb forma helicoidal, s'obtindran a partir de cel·lulosa, un polisacàrid extret del paper, cotó o altres fibres vegetals, a la qual s'aplicarà un tractament d’hidròlisi que permetrà extraure nanocristalls de cel·lulosa, als quals s'acoblaran, als extrems, polímers funcionals sintètics. Aquests nanocristalls modificats s'utilitzaran com a plantilla per fabricar metamaterials metàl·lics.

Canvi de paradigma en el camp dels metamaterials
Segons explica Justin Zoppe, "el més interessant d'aquests nanocristalls de cel·lulosa és que són cristalls líquids autoassemblables, ja que, en assecar-se, s'autoassemblen formant estructures helicoidals". La novetat de la recerca rau en el fet que ara es modificaran els extrems d'aquests cristalls nanomètrics per adjuntar polímers funcionals sintètics que guiaran la formació de nanohelicoides metàl·lics.

Com a resultat, "s'obtindrà una pel·lícula que es podrà impregnar amb metalls, com l'or, per exemple, que quedarà immobilitzat als extrems, on hi ha aquests polímers funcionals", tal com apunta l'investigador, que destaca que "després de cristal·litzar el metall i d'eliminar la plantilla de cel·lulosa modificada, l'objectiu final és aconseguir una estructura metàl·lica helicoidal nova, semblant a un cargol o rosca d'Arquímedes en escala nano". Aquest procediment és pioner, ja que, fins ara, no ha estat possible fabricar estructures metàl·liques tan complexes mitjançant l'autoassemblatge.

L'estructura resultant serà també quiral i tindrà propietats electromagnètiques extraordinàries no observades a la natura, que milloraran la detecció de molècules quirals en diferents camps de recerca. Quan es combinen en una solució de molècules quirals, ho faran actuar com a vehicle quiral de comunicació entre la llum quiral i les petites molècules quirals, amplificant el senyal global de detecció en l’espectroscòpia quiral, com el dicroisme circular.

Les aplicacions finals d'aquests nous metamaterials van des de l'òptica quiral al seu ús en nanodispositius, màquines i sensors quirals, a més d'aplicacions en els camps de la biologia o la indústria farmacèutica. També poden ser una base per a futurs dispositius d'encobriment d'invisibilitat i lents per a imatges de superresolució en ciències naturals i en l'àmbit mèdic.

A més, el procés d'enginyeria proposat, basat únicament en l'autoassemblatge, representa un canvi de paradigma en la recerca i la manufactura de metamaterials, ja que simplificaria la fabricació de metamaterials quirals, que actualment es basa en processos complexos i costosos a partir de deposició de vapor al buit.   

Més informació

• European Research Council awards €657m in grants to researchers across Europe (Notícia publicada al web de l'European Research Council)