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 , una molécula de este tipo 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 tal no superponibilidad de la mano izquierda precisamente sobre la derecha. Debido a la oposición de los dedos y los pulgares, sin importar cómo estén orientadas las dos manos, es imposible que ambas manos coincidan exactamente. [1] Las hélices, las características quirales (propiedades), los medios quirales, [2] el orden y la simetría se relacionan con el concepto de zurdos y diestros. [3] [4]
La quiralidad describe que algo es diferente de su imagen reflejada. 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 y orientación relativas 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 por traslación o rotación en tres dimensiones tiene quiralidad 3D intrínseca. Intrínseco significa que la quiralidad es una propiedad del objeto. En la mayoría de los contextos, los materiales descritos como quirales tienen quiralidad 3D intrínseca. Los ejemplos típicos son materiales quirales homogéneos/homogeneizables 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 con orientación lateral, como un líquido que consiste en moléculas quirales. La orientación lateral también puede estar presente a nivel macroscópico en materiales estructuralmente quirales . Por ejemplo, las moléculas de cristales líquidos colestéricos están posicionadas aleatoriamente pero macroscópicamente exhiben un orden de orientación helicoidal. Otros ejemplos de materiales estructuralmente quirales pueden fabricarse como pilas de láminas uniaxiales o usando 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 por traslación o rotación en tres dimensiones tiene quiralidad 3D extrínseca. Extrínseca significa que la quiralidad es una consecuencia de la disposición de diferentes componentes, en lugar de una propiedad intrínseca de los componentes en sí. 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 sea 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 3D-quiral, 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 causa una gran actividad óptica y dicroísmo de conversión lineal en metamateriales. Estos efectos se pueden ajustar de forma inherente modificando la orientación relativa de la onda incidente y el material. Tanto la quiralidad tridimensional extrínseca como la actividad óptica resultante se invierten para ángulos de incidencia opuestos. [11]
Cualquier objeto que no pueda superponerse con su imagen especular por traslación o rotación en dos dimensiones tiene quiralidad 2d intrínseca, 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 2d-quiral, y los ejemplos incluyen espirales planas y letras como S, G, P. A diferencia de los objetos 3d-quirales, la sensación percibida de torsión de los patrones 2d-quirales se invierte para direcciones opuestas de observación. [12] La quiralidad 2d está asociada con el dicroísmo de conversión circular, que causa la transmisión direccionalmente asimétrica (reflexión y absorción) de ondas electromagnéticas polarizadas circularmente.
La quiralidad 2D también puede surgir de la disposición relativa de diferentes componentes (aquirales). En particular, la iluminación oblicua de cualquier estructura periódica plana dará como resultado 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. Se ha observado un fuerte dicroísmo de conversión circular debido a la quiralidad 2D extrínseca en metamateriales. [13]
Las ondas electromagnéticas pueden tener lateralidad 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 de campo eléctrico . Por ejemplo, los vectores de campo eléctrico de ondas polarizadas circularmente dextrógiras o zurdas forman hélices de lateralidad opuesta en el espacio, como se ilustra en la animación adyacente. Las polarizaciones se describen en términos de las figuras trazadas por el vector de 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, 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 sentido horario se designa polarización dextrógiras, y la rotación en sentido antihorario se designa polarización zurda. Para decidir si la rotación es en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario, 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 que se encuentra detrás de una antena radiante. Ambas convenciones producen definiciones opuestas de polarizaciones zurdas y dextrógiras y, por lo tanto, se debe tener cuidado para entender 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 de amplitud desigual, y en cuadratura (que tienen sus respectivos vectores eléctricos en ángulos rectos y π/2 radianes desfasados). [14] [15]
La polarización circular , en lo que respecta a la propagación de ondas electromagnéticas , es una polarización tal que la punta del vector de campo eléctrico describe una hélice. La magnitud del vector de campo eléctrico es constante. La proyección de la punta del vector de campo eléctrico sobre cualquier plano fijo que intersecta y es 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 ángulos rectos entre sí. La polarización circular puede denominarse "derecha" o "izquierda", dependiendo de si la hélice describe la rosca de un tornillo de derecha o izquierda, 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 zurdas y diestras. El primero se puede explotar para realizar rotadores de polarización, mientras que el segundo se puede utilizar para realizar polarizadores circulares. La actividad óptica es débil en materiales quirales naturales, pero se puede mejorar en órdenes de magnitud en materiales quirales artificiales, es decir, metamateriales quirales . [17] [18] [19] [20] Al igual que 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.
En medios quirales tridimensionales, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente de sentido opuesto pueden propagarse a distinta velocidad. Este fenómeno se conoce como birrefringencia circular y se describe mediante diferentes partes reales de los índices de refracción para ondas polarizadas circularmente dextrógiras y levógiras. Como consecuencia, las ondas polarizadas circularmente dextrógiras y levógiras 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 dextrógiras y levógiras. La birrefringencia circular puede producir un índice de refracción negativo para ondas de sentido único cuando el efecto es suficientemente grande. [21] [22]
En medios quirales tridimensionales, las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente de orientación 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 las ondas polarizadas circularmente dextrógiras y levógiras.
Si bien la actividad óptica se observa normalmente en la luz transmitida, la rotación de polarización [23] y la atenuación diferente de las ondas polarizadas circularmente dextrógira y levógira [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 tridimensional extrínseca asociada con la iluminación oblicua de las metasuperficies que carecen de simetría rotacional doble conduce a una gran actividad óptica especular. [25]
Se ha predicho [26] una actividad óptica que depende de la intensidad de la luz y luego se ha observado 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 3D-quiral. [29]
La quiralidad 2D está asociada con la transmisión asimétrica direccional (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 y, por lo tanto, el efecto se conoce como dicroísmo de conversión circular. Al igual que la torsión de un patrón quiral 2D parece invertida para direcciones de observación opuestas, los materiales quirales 2D tienen propiedades intercambiadas para ondas polarizadas circularmente zurdas y diestras que inciden en su parte frontal y posterior. En particular, las ondas polarizadas circularmente zurdas y diestras 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 sola dirección sin cambio de dirección, mientras que absorbe ondas polarizadas circularmente de la otra dirección. Los espejos quirales se pueden lograr colocando un metamaterial quiral 2d frente a un espejo convencional. [32] El concepto se ha explotado en holografía para lograr hologramas independientes para ondas electromagnéticas polarizadas circularmente de derechas y de izquierdas. [33] Se han reportado espejos quirales activos que se pueden cambiar entre izquierda y derecha, o espejo quiral y espejo convencional. [34]
La quiralidad 3D de las estructuras anisotrópicas está asociada 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 parte frontal y 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 conoce como dicroísmo de conversión lineal. Las eficiencias de conversión de polarización de x a y e y de 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] . Los metamateriales activos, donde el efecto se puede activar y desactivar, se han logrado 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 los Estados Unidos . de Ames Laboratory Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022.En apoyo de la serie sobre estándares militares estadounidenses relacionados con las telecomunicaciones, MIL-STD-188
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