بلورهای متقارن «تبعیض نوری» دارند!

پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن و دانشگاه ویسکانسین-مدیسن برای نخستین‌بار نشان داده‌اند که نوعی بلور کاملاً متقارن می‌تواند نوری با قطبش چرخشی را به‌صورت نامتقارن جذب کند؛ یافته‌ای که می‌تواند مفاهیم بنیادی فیزیک بلور‌ها را بازنویسی کند و راه را برای نسل جدیدی از فناوری‌های نوری بگشاید.

به گزارش برنا phys.org دانشمندان تا پیش از این بر این باور بودند که تنها بلور‌هایی که فاقد تقارن مرکزی هستند می‌توانند رفتاری موسوم به «کایرالی» (chiral) یا «دست‌سانی» از خود نشان دهند؛ رفتاری که در آن جسم با تصویر آینه‌ای خود متفاوت عمل می‌کند. اما این پژوهش تازه، که در نشریه Science منتشر شده، برای اولین‌بار ثابت کرده که بلور‌های دارای تقارن مرکزی نیز می‌توانند ویژگی‌های کایرالی از خود بروز دهند.

بلور‌های متقارن و نوری که به‌طور نامتقارن جذب می‌شود

در این مطالعه، تیم تحقیقاتی به بررسی نوعی بلور دارای تقارن مرکزی پرداخت که از ترکیبات اکسید لیتیوم، کبالت و سلنیوم ساخته شده است. این بلور در شرایط خاصی با نوری که دارای قطبش دایره‌ای است (نوری که مانند پیچ‌کُرک‌مانند در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن می‌چرخد) تعامل داشت.

بر اساس اصول پذیرفته‌شده‌ی پیشین، انتظار می‌رفت که بلوری با تقارن مرکزی، نور چرخشی در هر دو جهت را به‌صورت یکسان جذب کند. اما برخلاف انتظار، این بلور یکی از جهت‌های نور را بیشتر از دیگری جذب کرد؛ رفتاری که به‌روشنی نشانه‌ای از کایرالیته بود.

این کشف نه‌تنها فرضیه‌های پیشین درباره رفتار بلور‌ها و مفهوم کایرالیته را به چالش می‌کشد، بلکه دریچه‌ای تازه به سوی کاربرد‌های فناورانه می‌گشاید. کاربرد‌هایی همچون نمایشگر‌های نوری درخشان‌تر، حسگر‌های دقیق‌تر، و سامانه‌های ارتباطی نوری سریع‌تر و ایمن‌تر می‌توانند از دستاورد این کشف منتفع شوند.

علمی که فکر می‌کردیم تمامش را می‌دانیم

روئل تمپلر ، استادیار شیمی در دانشگاه نورث‌وسترن و یکی از سرپرستان نظری این پژوهش گفت: «این کشف برای بسیاری از اعضای جامعه علمی شگفت‌انگیز بوده، زیرا برای مدت طولانی باور داشتند چنین چیزی ممکن نیست. بلور‌ها به‌دلیل تقارن‌شان بسیار قابل پیش‌بینی هستند؛ اما حالا متوجه شده‌ایم که همیشه همه چیز آن‌طور که به‌نظر می‌رسد نیست.»

این تحقیق با هدایت مشترک تمپلر، کنت پاپلمایر از دانشگاه نورث‌وسترن و رندال گلداسمیت از دانشگاه ویسکانسین-مدیسن انجام شده است.

کایرالیته چیست؟ 

کایرالیته پدیده‌ای است که در آن یک جسم و تصویر آینه‌ای‌اش قابل انطباق کامل نیستند؛ همانند تفاوت میان پای چپ و راست یا کفش‌های مخصوص هر پا. این مفهوم، با وجود ظاهری انتزاعی، تأثیر عمیقی بر تعامل مولکول‌ها در طبیعت دارد و در بسیاری از حوزه‌ها از جمله داروسازی، زیست‌شناسی و حتی طعم غذا‌ها نقشی حیاتی بازی می‌کند.

تمپلر توضیح می‌دهد: «بسیاری از مولکول‌ها در دو فرم آینه‌ای—یکی راست‌دست و دیگری چپ‌دست—وجود دارند. گاهی یکی از این نسخه‌ها یک داروی مؤثر است، درحالی‌که نسخه‌ی دیگر ممکن است سمی باشد.»

نمونه‌ی تلخ این موضوع، داروی تالیدومید است؛ دارویی که یک ایزومر آن برای درمان تهوع بارداری مؤثر بود، اما نسخه‌ی دیگر باعث نقص‌های شدید مادرزادی شد.

مدل‌سازی نظری و اثبات تجربی یک پدیده جدید

تیم تمپلر ابتدا با بهره‌گیری از روش‌های محاسباتی، احتمال بروز کایرالیته در بلور‌ها را بررسی کرد. نتایج مدل‌سازی نشان می‌داد که حتی بلور‌های دارای تقارن مرکزی نیز می‌توانند در شرایط خاص، رفتاری مشابه مولکول‌های دست‌سان از خود نشان دهند.

برای آزمودن این پیش‌بینی، گروه پژوهشی پاپلمایر بلور مذکور را سنتز کرد. در شرایط آزمایشگاهی مشخص شد این بلور نور قطبیده‌ی دایره‌ای در یک جهت را بیشتر از جهت دیگر جذب می‌کند—رفتاری که پیش‌تر در هیچ بلور متقارن مرکزی گزارش نشده بود.

تمپلر در پایان می‌گوید: «ما انتظار نداشتیم چنین پدیده‌ای را در اولین بلور مورد آزمایش‌مان ببینیم. اما دیدیم. این کشف چشمان ما را باز کرد تا به کل طبقه‌ای از مواد که تاکنون نادیده گرفته می‌شدند، با دیدی نو نگاه کنیم.»

انتهای پیام/