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Medios quirales

Quiralidad con manos y dos enantiómeros de un aminoácido genérico La dirección del flujo de corriente y del flujo magnético inducido sigue una relación de "quiralidad". El térmi...

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Quiralidad con manos y dos enantiómeros de un aminoácido genérico
La dirección del flujo de corriente y del flujo magnético inducido sigue una relación de "quiralidad".

El término quiral / ˈ k aɪ r əl / describe un objeto, especialmente una molécula , que tiene o produce una imagen especular no superponible de sí misma. En química , dicha molécula se llama enantiómero o se dice que exhibe quiralidad o enantiomería . El término "quiral" proviene de la palabra griega para la mano humana, que exhibe precisamente esa no superponibilidad de la mano izquierda sobre la derecha. Debido a la oposición de los dedos y los pulgares, independientemente de cómo estén orientadas las dos manos, es imposible que ambas coincidan exactamente. [ 1 ] Las hélices, las características (propiedades) quirales, los medios quirales, [ 2 ] el orden y la simetría se relacionan con el concepto de zurdera y diestra. [ 3 ] [ 4 ]

Tipos de quiralidad

La quiralidad describe la diferencia entre un objeto y su imagen especular. Puede definirse en dos o tres dimensiones. Puede ser una propiedad intrínseca de un objeto, como una molécula, un cristal o un metamaterial. También puede surgir de la posición y orientación relativas de diferentes componentes, como la dirección de propagación de un haz de luz con respecto a la estructura de un material aquiral.

Quiralidad 3D intrínseca

Cualquier objeto que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en tres dimensiones posee quiralidad tridimensional intrínseca. Intrínseca significa que la quiralidad es una propiedad del objeto. En la mayoría de los contextos, los materiales descritos como quirales poseen quiralidad tridimensional intrínseca. Ejemplos típicos son los materiales quirales homogéneos/homogeneizables que presentan una estructura quiral a escala sublongitudinal. Por ejemplo, un material quiral isotrópico puede comprender una dispersión aleatoria de moléculas o inclusiones quiralmente definidas, como un líquido compuesto por moléculas quirales. La quiralidad también puede estar presente a nivel macroscópico en materiales estructuralmente quirales . Por ejemplo, las moléculas de los cristales líquidos colestéricos se encuentran dispuestas aleatoriamente, pero macroscópicamente exhiben un orden orientacional helicoidal. Otros ejemplos de materiales estructuralmente quirales pueden fabricarse como apilamientos de láminas uniaxiales o mediante películas delgadas esculpidas . Cabe destacar que JC Bose produjo ejemplos artificiales de ambos tipos de materiales quirales hace más de 11 décadas. [ 5 ] [ 6 ] La quiralidad 3D provoca los efectos electromagnéticos de la actividad óptica y el dicroísmo de conversión lineal .

Quiralidad 3D extrínseca

Cualquier disposición que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en tres dimensiones tiene quiralidad 3D extrínseca. Extrínseca significa que la quiralidad es consecuencia de la disposición de diferentes componentes, en lugar de una propiedad intrínseca de los componentes mismos. Por ejemplo, la dirección de propagación de un haz de luz a través de un cristal aquiral (o metamaterial) puede formar una disposición experimental que es diferente de su imagen especular. En particular, la incidencia oblicua sobre cualquier estructura plana que no posea simetría rotacional doble resulta en una disposición experimental quiral 3D, excepto en el caso especial en que la estructura tiene una línea de simetría especular en el plano de incidencia . [ 7 ] Bunn [ 8 ] predijo en 1945 que la quiralidad 3D extrínseca causaría actividad óptica y el efecto fue detectado posteriormente en cristales líquidos. [ 9 ] [ 10 ] La quiralidad 3D extrínseca causa gran actividad óptica y dicroísmo de conversión lineal en metamateriales. Estos efectos son inherentemente ajustables cambiando la orientación relativa de la onda incidente y el material. Tanto la quiralidad 3d extrínseca como la actividad óptica resultante se invierten para ángulos de incidencia opuestos. [ 11 ]

Quiralidad intrínseca 2D

Cualquier objeto que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en dos dimensiones tiene quiralidad intrínseca 2D, también conocida como quiralidad planar . Intrínseca significa que la quiralidad es una propiedad del objeto. Cualquier patrón planar que no tenga una línea de simetría especular es quiral 2D, y ejemplos incluyen espirales planas y letras como S, G, P. A diferencia de los objetos quirales 3D, la sensación de torsión percibida de los patrones quirales 2D se invierte para direcciones opuestas de observación. [ 12 ] La quiralidad 2D está asociada con el dicroísmo de conversión circular, que causa transmisión asimétrica direccional (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas circularmente.

Quiralidad extrínseca 2D

Asimismo, la quiralidad 2D puede surgir de la disposición relativa de diferentes componentes (aquirales). En particular, la iluminación oblicua de cualquier estructura periódica planar dará lugar a una quiralidad 2D extrínseca, salvo en los casos especiales en que el plano de incidencia sea paralelo o perpendicular a una línea de simetría especular de la estructura. Se ha observado un fuerte dicroísmo de conversión circular debido a la quiralidad 2D extrínseca en metamateriales. [ 13 ]

Quiralidad de las ondas electromagnéticas

Diagrama de una onda electromagnética generada por una antena dipolo. La orientación del vector eléctrico y la del vector magnético son específicas y quirales. El diagrama no es superponible con su imagen especular.
Luz polarizada linealmente. El bloque de vectores representa cómo la magnitud y la dirección del campo eléctrico son constantes en todo un plano , que es perpendicular a la dirección de desplazamiento.
Animación de una onda electromagnética polarizada linealmente, que ilustra la relación direccional de los vectores eléctricos E y magnéticos B con respecto a la dirección de propagación de la onda.
Animación de una onda electromagnética polarizada linealmente, que ilustra la relación direccional de los vectores eléctricos E y magnéticos B con respecto a la dirección de propagación de la onda.

Las ondas electromagnéticas pueden tener quiralidad asociada a su polarización . La polarización de una onda electromagnética es la propiedad que describe la orientación , es decir, la dirección y amplitud variables en el tiempo , del vector del campo eléctrico . Por ejemplo, los vectores del campo eléctrico de las ondas polarizadas circularmente a la izquierda o a la derecha forman hélices de quiralidad opuesta en el espacio, como se ilustra en la animación adjunta. Las polarizaciones se describen en términos de las figuras trazadas por el vector del campo eléctrico en función del tiempo en una posición fija en el espacio. En general, la polarización es elíptica y se traza en sentido horario o antihorario. Sin embargo, si los ejes mayor y menor de la elipse son iguales, se dice que la polarización es circular . Si el eje menor de la elipse es cero, se dice que la polarización es lineal. La rotación del vector eléctrico en sentido horario se denomina polarización a la derecha, y la rotación en sentido antihorario se denomina polarización a la izquierda. Para determinar si la rotación es en sentido horario o antihorario, se requiere una convención . Los físicos ópticos suelen determinar la quiralidad desde la perspectiva de un observador que mira hacia la fuente desde dentro de la onda, como un astrónomo que observa una estrella. Los ingenieros, en cambio, tienden a determinarla observando a lo largo de la onda desde detrás de la fuente, como un ingeniero situado detrás de una antena radiante. Ambas convenciones dan lugar a definiciones opuestas de polarización levógira y dextrógira, por lo que es fundamental comprender qué convención se está siguiendo.

Matemáticamente, una onda polarizada elípticamente puede describirse como la suma vectorial de dos ondas de igual longitud de onda pero amplitud desigual, y en cuadratura (con sus respectivos vectores eléctricos en ángulo recto y desfasados ​​π/2 radianes). [ 14 ] [ 15 ]

Polarización circular

Animación de luz polarizada circularmente a la derecha (en el sentido de las agujas del reloj) vista desde la dirección de la fuente, de acuerdo con las convenciones de físicos y astrónomos.

La polarización circular , en lo que respecta a la propagación de ondas electromagnéticas , es aquella en la que la punta del vector del campo eléctrico describe una hélice. La magnitud del vector del campo eléctrico es constante. La proyección de la punta del vector del campo eléctrico sobre cualquier plano fijo que interseca y es perpendicular a la dirección de propagación describe un círculo. Una onda polarizada circularmente puede descomponerse en dos ondas polarizadas linealmente en cuadratura de fase, con sus planos de polarización perpendiculares entre sí. La polarización circular puede denominarse "dextrógira" o "levógira", dependiendo de si la hélice describe la rosca de un tornillo de rosca derecha o izquierda, respectivamente [ 16 ].

Actividad óptica

Los materiales quirales 3D pueden exhibir actividad óptica, que se manifiesta como birrefringencia circular , causando rotación de polarización para ondas polarizadas linealmente, y dicroísmo circular , causando diferente atenuación de ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha. La primera puede ser explotada para realizar rotadores de polarización, mientras que el segundo puede ser utilizado para realizar polarizadores circulares. La actividad óptica es débil en materiales quirales naturales, pero puede ser mejorada en órdenes de magnitud en un material quiral artificial, es decir, metamateriales quirales . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Así como la sensación percibida de torsión de una hélice es la misma para direcciones opuestas de observación, la actividad óptica es la misma para direcciones opuestas de propagación de ondas.

birrefringencia circular

En medios quirales tridimensionales, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente con quiralidad opuesta pueden propagarse a diferente velocidad. Este fenómeno se conoce como birrefringencia circular y se describe mediante diferentes partes reales de los índices de refracción para ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha. Como consecuencia, las ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha acumulan diferentes cantidades de fase al propagarse a través de un medio quiral. Esta diferencia de fase provoca una rotación del estado de polarización de las ondas polarizadas linealmente, que puede considerarse como una superposición de ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha. La birrefringencia circular puede producir un índice de refracción negativo para ondas de una misma quiralidad cuando el efecto es suficientemente grande. [ 21 ] [ 22 ]

dicroísmo circular

En medios quirales tridimensionales, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente con quiralidad opuesta pueden propagarse con diferentes pérdidas. Este fenómeno se conoce como dicroísmo circular y se describe mediante diferentes partes imaginarias de los índices de refracción para ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha.

Actividad óptica especular

Si bien la actividad óptica se observa normalmente en la luz transmitida, la rotación de la polarización [ 23 ] y la diferente atenuación de las ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha [ 24 ] también pueden ocurrir en la luz reflejada por sustancias quirales. Estos fenómenos de birrefringencia circular especular y dicroísmo circular especular se conocen conjuntamente como actividad óptica especular. La actividad óptica especular es débil en los materiales naturales. La quiralidad 3D extrínseca asociada con la iluminación oblicua de metasuperficies que carecen de simetría rotacional doble conduce a una gran actividad óptica especular. [ 25 ]

actividad óptica no lineal

Se ha predicho [ 26 ] y posteriormente observado actividad óptica que depende de la intensidad de la luz en cristales de yodato de litio . [ 27 ] En comparación con el yodato de litio, se encontró que la quiralidad 3d extrínseca asociada con la iluminación oblicua de metasuperficies que carecen de simetría rotacional doble conduce a una actividad óptica no lineal 30 millones de veces más fuerte en la parte óptica del espectro. [ 28 ] A frecuencias de microondas, se observó un efecto 12 órdenes de magnitud más fuerte que en el yodato de litio para una estructura intrínsecamente quiral 3d. [ 29 ]

dicroísmo de conversión circular

La quiralidad 2D se asocia con la transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas circularmente. Los materiales quirales 2D, que también son anisotrópicos y con pérdidas, exhiben diferentes niveles de transmisión total (reflexión y absorción) para la misma onda polarizada circularmente incidente en su parte frontal y posterior. El fenómeno de transmisión asimétrica surge de diferentes eficiencias de conversión de polarización circular, por ejemplo, de izquierda a derecha, para direcciones de propagación opuestas de la onda incidente, por lo que el efecto se denomina dicroísmo de conversión circular. Al igual que la torsión de un patrón quiral 2D aparece invertida para direcciones de observación opuestas, los materiales quirales 2D tienen propiedades intercambiadas para ondas polarizadas circularmente levógiras y dextrógiras que inciden en su parte frontal y posterior. En particular, las ondas polarizadas circularmente levógiras y dextrógiras experimentan asimetrías de transmisión direccional opuesta (reflexión y absorción). [ 30 ] [ 31 ]

Se ha logrado un dicroísmo de conversión circular con una eficiencia casi ideal en espejos quirales basados ​​en metamateriales. A diferencia de los espejos convencionales, un espejo quiral refleja ondas polarizadas circularmente de una quiralidad sin cambio de quiralidad, mientras que absorbe ondas polarizadas circularmente de la quiralidad opuesta. Los espejos quirales se pueden realizar colocando un metamaterial quiral bidimensional frente a un espejo convencional. [ 32 ] El concepto se ha aprovechado en holografía para realizar hologramas independientes para ondas electromagnéticas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha. [ 33 ] Se han reportado espejos quirales activos que pueden conmutarse entre izquierda y derecha, o entre espejo quiral y espejo convencional. [ 34 ]

dicroísmo de conversión lineal

La quiralidad 3D de las estructuras anisotrópicas se asocia con la transmisión asimétrica direccional (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas linealmente. Los diferentes niveles de transmisión total (reflexión y absorción) para la misma onda polarizada linealmente incidente en su frente y parte posterior surgen de diferentes eficiencias de conversión de polarización lineal , por ejemplo, de x a y, para direcciones de propagación opuestas de la onda incidente, y por lo tanto el efecto se denomina dicroísmo de conversión lineal. Las eficiencias de conversión de polarización de x a y e y a x se intercambian para direcciones opuestas de propagación de la onda. El dicroísmo de conversión lineal se ha observado en metamateriales con quiralidad 3D intrínseca [ 35 ] y extrínseca [ 36 ] . Se han logrado metamateriales activos, donde el efecto se puede activar y desactivar, controlando la quiralidad 3D con transiciones de fase [ 37 ] .

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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