El término quiral / ˈk aɪ r əl / describe un objeto, especialmente una molécula , que tiene o produce una imagen especular no superponible de sí mismo. En química , dicha molécula se llama enantiómero o se dice que exhibe quiralidad o enantiomerismo . El término "quiral" proviene de la palabra griega que designa la mano humana, que a su vez exhibe tal no superposición de la mano izquierda precisamente sobre la derecha. Debido a la oposición de los dedos y los pulgares, no importa 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 zurdo y diestro. [3] [4]
La quiralidad describe que algo es diferente de su imagen especular. La quiralidad se puede definir 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 relativa y la orientación de diferentes componentes, como la dirección de propagación de un haz de luz en relación con la estructura de un material aquiral.
Cualquier objeto que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en tres dimensiones tiene quiralidad tridimensional intrínseca. Intrínseco significa que la quiralidad es una propiedad del objeto. En la mayoría de los contextos, los materiales descritos como quirales tienen quiralidad tridimensional intrínseca. Ejemplos típicos son materiales quirales homogéneos/homogenizables que tienen una estructura quiral en la escala de sublongitud de onda. Por ejemplo, un material quiral isotrópico puede comprender una dispersión aleatoria de moléculas o inclusiones dadas, tal como un líquido que consta de moléculas quirales. La lateralidad también puede estar presente a nivel macroscópico en materiales estructuralmente quirales . Por ejemplo, las moléculas de los cristales líquidos colestéricos están colocadas aleatoriamente pero macroscópicamente exhiben un orden de orientación helicoidal. Otros ejemplos de materiales estructuralmente quirales se pueden fabricar como pilas de láminas uniaxiales o utilizando películas delgadas esculpidas . Sorprendentemente, 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.
Cualquier disposición que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en tres dimensiones tiene quiralidad tridimensional extrínseca. Extrínseca significa que la quiralidad es una consecuencia de la disposición de diferentes componentes, más que 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 diferente de su imagen especular. En particular, la incidencia oblicua sobre cualquier estructura plana que no posea simetría rotacional doble da como resultado una disposición experimental quiral 3D, excepto en el caso especial en el 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 se detectó más tarde en cristales líquidos. [9] [10] La quiralidad 3D extrínseca provoca una gran actividad óptica y dicroísmo de conversión lineal en los metamateriales. Estos efectos son inherentemente sintonizables 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]
Cualquier objeto que no pueda superponerse con su imagen especular mediante traslación o rotación en dos dimensiones tiene quiralidad 2D intrínseca, también conocida como quiralidad plana . Intrínseco significa que la quiralidad es una propiedad del objeto. Cualquier patrón plano que no tenga un eje de simetría especular es quiral 2D, y los 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 en direcciones de observación opuestas. [12] La quiralidad 2D está asociada con el dicroísmo de conversión circular, que provoca una transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas circularmente.
También la quiralidad 2D puede surgir de la disposición relativa de diferentes componentes (achiral). En particular, la iluminación oblicua de cualquier estructura periódica plana dará como resultado una quiralidad 2D extrínseca, excepto en los casos especiales en los que el plano de incidencia es paralelo o perpendicular a una línea de simetría especular de la estructura. En los metamateriales se ha observado un fuerte dicroísmo de conversión circular debido a la quiralidad 2D extrínseca. [13]
Las ondas electromagnéticas pueden tener una lateralidad asociada con 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 de campo eléctrico de ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda o hacia la derecha forman hélices de dirección opuesta en el espacio, como se ilustra en la animación adyacente. 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 el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Sin embargo, si los ejes mayor y menor de la elipse son iguales, entonces 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 el sentido de las agujas del reloj se denomina polarización derecha, y la rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj se denomina polarización izquierda. Al decidir si la rotación es en sentido horario o antihorario, se necesita una convención . Los físicos ópticos tienden a determinar la lateralidad desde la perspectiva de un observador que mira hacia la fuente desde dentro de la onda, como un astrónomo que mira una estrella. Los ingenieros tienden a determinar la lateralidad mirando a lo largo de la onda desde detrás de la fuente, como un ingeniero parado detrás de una antena radiante. Ambas convenciones producen definiciones opuestas de polarizaciones hacia la izquierda y hacia la derecha y, por lo tanto, se debe tener cuidado de comprender qué convención se sigue.
Matemáticamente, una onda elípticamente polarizada puede describirse como la suma vectorial de dos ondas de igual longitud de onda pero diferente amplitud, y en cuadratura (con sus respectivos vectores eléctricos en ángulo recto y π/2 radianes desfasados). [14] [15]
La polarización circular , respecto a la propagación de ondas electromagnéticas , es una polarización tal 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 corte y sea normal 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 en ángulo recto entre sí. La polarización circular puede denominarse "derecha" o "izquierda", dependiendo de si la hélice describe la rosca de un tornillo derecho o izquierdo, respectivamente [16]
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 izquierdas y derechas. El primero puede aprovecharse para realizar rotadores de polarización, mientras que el segundo puede utilizarse para realizar polarizadores circulares. La actividad óptica es débil en materiales quirales naturales, pero puede mejorarse en órdenes de magnitud en materiales quirales artificiales, es decir, metamateriales quirales . [17] [18] [19] [20] Así como la sensación percibida de torsión de una hélice es la misma para direcciones de observación opuestas, la actividad óptica es la misma para direcciones opuestas de propagación de ondas.
En medios quirales 3D, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente de dirección opuesta pueden propagarse con diferentes velocidades. Este fenómeno se conoce como birrefringencia circular y se describe mediante diferentes partes reales de los índices de refracción para ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha. Como consecuencia, las ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha acumulan diferentes cantidades de fase al propagarse a través de un medio quiral. Esta diferencia de fase provoca la rotación del estado de polarización de las ondas polarizadas linealmente, lo que puede considerarse como una superposición de ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha. La birrefringencia circular puede producir un índice de refracción negativo para ondas de una sola mano cuando el efecto es suficientemente grande. [21] [22]
En medios quirales 3D, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente de dirección 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 hacia la izquierda y hacia la derecha.
Si bien la actividad óptica normalmente se observa para la luz transmitida, la rotación de polarización [23] y la diferente atenuación de las ondas polarizadas circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha [24] también pueden ocurrir para 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 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]
Se predijo la actividad óptica que depende de la intensidad de la luz [26] y luego se observó en cristales de yodato de litio . [27] En comparación con el yodato de litio, se descubrió 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] En 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]
La quiralidad 2D está asociada 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 que incide en su parte delantera y trasera. 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 y, por lo tanto, el efecto se denomina dicroísmo de conversión circular. Al igual que la torsión de un patrón quiral 2D aparece invertida en direcciones de observación opuestas, los materiales quirales 2D tienen propiedades intercambiadas para ondas polarizadas circularmente izquierdas y derechas que inciden en su parte delantera y trasera. En particular, las ondas polarizadas circularmente izquierdas y derechas experimentan asimetrías de transmisión (reflexión y absorción) en direcciones opuestas. [30] [31]
Se ha logrado 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 mano sin cambiar la dirección, mientras absorbe ondas polarizadas circularmente de la otra mano. Los espejos quirales se pueden realizar colocando un metamaterial quiral 2d frente a un espejo convencional. [32] El concepto se ha explotado en holografía para realizar hologramas independientes para ondas electromagnéticas polarizadas circularmente para zurdos y diestros. [33] Se han informado espejos quirales activos que se pueden cambiar entre izquierda y derecha, o espejos quirales y espejos convencionales. [34]
La quiralidad 3D de las estructuras anisotrópicas está asociada con la transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas linealmente. Diferentes niveles de transmisión total (reflexión y absorción) para la misma onda polarizada linealmente incidente en su parte delantera y trasera surgen de diferentes eficiencias de conversión de polarización lineal, por ejemplo, x a y, para direcciones de propagación opuestas de la onda incidente y, por lo tanto, el efecto es denominado dicroísmo de conversión lineal. Las eficiencias de conversión de polarización xa y y-x se intercambian para direcciones opuestas de propagación de ondas. Se ha observado dicroísmo de conversión lineal en metamateriales con quiralidad tridimensional intrínseca [35] y extrínseca [36] . Los metamateriales activos, donde el efecto se puede activar y desactivar, se han realizado controlando la quiralidad 3D con transiciones de fase. [37]
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Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del Departamento de Energía de Estados Unidos . del Laboratorio Ames. Este artículo incorpora material de dominio público del Estándar Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022.en apoyo de la serie sobre estándares militares de EE. UU. relacionados con las telecomunicaciones, MIL-STD-188
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