Un nuevo láser retorcido identifica moléculas en imágenes espejo con gran precisión

Las moléculas pueden presentarse en dos formas que son imágenes espejo entre sí, similares a las manos izquierda y derecha. Aunque estos gemelos moleculares pueden parecer casi idénticos, su comportamiento puede variar drásticamente, especialmente en sistemas vivos y medicamentos. La identificación de estos enantiómeros, también conocidos como moléculas quirales, ha representado un desafío significativo en la ciencia y la tecnología.

Para entender la mano de las moléculas, se puede pensar en un tornillo y una tuerca. Un tornillo derecho encaja en una rosca derecha, mientras que un tornillo izquierdo no lo hace. Investigadores del Tata Institute of Fundamental Research, Indian Institute of Technology Mumbai y Indian Institute of Technology Hyderabad demostraron que la luz estructurada puede actuar como una sonda de tipo roscado, interactuando de manera diferente con las moléculas según su quiralidad.

Dando un giro a la luz láser

Los científicos crearon luz que no solo gira, sino que también se retuerce a medida que avanza. Cuando esta luz estructurada impacta una molécula quiral, la interacción varía dependiendo de cómo el "retorcimiento" de la luz coincida con la quiralidad natural de la molécula. Esto genera una diferencia medible que puede utilizarse para identificar qué forma de imagen espejo está presente.

Fragmentando moléculas para detectarlas

Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones láser del TIFR Hyderabad. Los investigadores dirigieron pulsos láser ultracortos, con giro y torsión controlados, hacia muestras gaseosas de R- o S-Camphor, una molécula quiral conocida. Los pulsos láser provocaron que las moléculas se rompieran en fragmentos cargados. Los científicos examinaron esos fragmentos con un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, un instrumento que identifica iones midiendo la velocidad con la que llegan a un detector. Los fragmentos más ligeros llegan antes que los más pesados.

El equipo observó un patrón clave. La cantidad de fragmentos producidos variaba según la combinación del giro de la luz y la quiralidad de la molécula. Al comparar simplemente el conteo de fragmentos, los investigadores pudieron distinguir entre las dos formas de imagen espejo.

Un método más sencillo para detectar la quiralidad

Los métodos convencionales para detectar la quiralidad a menudo miden diferencias extremadamente pequeñas en cómo las moléculas absorben la luz. Otras técnicas rastrean las direcciones en las que se emiten electrones. Estos enfoques pueden requerir equipos complicados, alineaciones precisas, mediciones angulares o detección de coincidencias. La nueva técnica, en cambio, identifica la quiralidad directamente a través de señales iónicas, lo que reduce la necesidad de mediciones complejas y aumenta la sensibilidad.

Estudiando moléculas sin interferencias externas

Los investigadores examinaron moléculas en fase gaseosa, donde estaban separadas de influencias externas como solventes y superficies. Esto permitió observar la interacción subyacente entre la luz estructurada y la forma molecular de manera más directa. La luz retorcida también fortaleció la diferencia entre los dos enantiómeros, lo que resultó en señales más grandes que las producidas comúnmente por métodos ópticos tradicionales.

Combinando luz retorcida con moléculas quirales

Los resultados introdujeron una nueva forma de "hacer coincidir los hilos" entre la luz y la materia. Al utilizar haces láser retorcidos como sondas, los científicos pueden identificar la quiralidad molecular de manera más fácil y precisa. Este método podría abrir nuevas oportunidades en química, biología y ciencias farmacéuticas, donde seleccionar el enantiómero correcto puede ser esencial, dado que dos versiones de una misma molécula pueden tener efectos biológicos o médicos muy diferentes.