JUSTIN ZOPPE. Investigador del grup de recerca Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) i professor lector Serra Húnter del Departament de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC).

La capacitat de manipular la llum i controlar la seva interacció amb la matèria és fonamental en ciència, tecnologia i enginyeria. En la novel·la d’Herbert George Wells de 1897, “L’home invisible”, el protagonista explorava una possibilitat extraordinària: “…un mètode pel qual seria possible, sense canviar cap altra propietat de la matèria (excepte, en alguns casos, els colors) – per baixar l’índex de refracció d’una substància, sòlida o líquida, al de l’aire – pel que fa a tots els propòsits pràctics”. En aquest cas, el protagonista proposa canviar la forma en la qual la matèria corba la llum per fer-la invisible. En el segle XXI, conceptes com la invisibilitat, que abans es consideraven ciència-ficció, s’acosten a poc a poc a la realitat, en part gràcies al desenvolupament de materials amb capacitats antinaturals, també coneguts com metamaterials.

Els metamaterials es dissenyen perquè presentin propietats que no es troben a la naturalesa. Solen estar composts per patrons repetitius, o matrius, de subunitats molt més petites. De fet, és l’estructura amb patrons del metamaterial, i no el material en si, la qual cosa dona lloc a les seves propietats no naturals. Entre els diferents tipus de metamaterials, els metamaterials electromagnètics interactuen amb la llum de formes que donen lloc a característiques extraordinàries, com la refracció negativa i el magnetisme artificial. Perquè un metamaterial interactui amb la llum ultraviolada o visible, l’escala dels patrons repetitius ha de ser de l’ordre de centenars de nanòmetres o menys, la qual cosa resulta extremadament difícil i costós de fabricar amb les tecnologies disponibles en l’actualitat. Aquest és especialment el cas dels anomenats metamaterials quirals, que estan formats per subunitats no simètriques, com les hèlixs. Això representa un important repte per a l’enginyeria de materials dels futurs dispositius òptics.

El projecte CELICOIDS, finançat pel Consell Europeu de Recerca (ERC, European Research Council), respon a aquesta creixent necessitat de tecnologies de fabricació de metamaterials més senzilles i proposa el desenvolupament de noves tipologies de nanoestructures quirals per controlar les interaccions llum-matèria. El projecte se centra en l’autoassemblatge de nanopartícules, que consisteix en una tècnica de fabricació ascendent basada en les interaccions físiques entre partícules per formar el patró desitjat, sense necessitat d’equips complexos i costosos.

Un gran exemple de metamaterial quiral és un conjunt de nanohélices. Es pot imaginar com una superfície plana amb un patró de molls disposats amb precisió, com en un matalàs de molls, a escala nanométrica. Aquest tipus de disposició periòdica de nanoestructures quirals interactua fortament amb la llum polaritzada circularment, un tipus d’ona lluminosa que es propaga seguint una trajectòria helicoidal. La llum polaritzada circularment pot ser destra o esquerrana, és a dir, girar en el sentit de les agulles del rellotge o en sentit contrari, i s’utilitza habitualment en dispositius òptics. Per exemple, el dicroisme circular, l’absorció diferencial de llum polaritzada circularment a dreta i esquerra, és una potent eina analítica en química i bioquímica per caracteritzar l’estructura química tridimensional de les molècules. El principal problema és que les respostes òptiques de les molècules quirals són molt febles i els metamaterials quirals són una de les solucions més prometedores per millorar la detecció de la quiralitat molecular. Aquí és on CELICOIDS entra novament en joc.

El grup de recerca Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) lidera el projecte CELICOIDS, l’objectiu del qual és investigar l’autoassemblatge ascendent de nanorods modificats per fabricar una nova classe de metamaterials, els nanohelicoides metàl·lics. Els nanorods s’obtenen a partir de cel·lulosa, un polisacàrid natural extret del paper, el cotó o altres fibres vegetals. Quan s’aboca una suspensió de nanorods de cel·lulosa modificada sobre una superfície, s’autoassemblen per formar estructures helicoidals mentre s’assequen. Una vegada impregnades aquestes estructures amb metalls com l’or, guiaran la formació de nanohelicoides metàl·lics. Després de cristal·litzar el metall i retirar la plantilla de cel·lulosa modificada, l’objectiu final és aconseguir matrius de noves estructures helicoidals metàl·liques, similars a cargols d’Arquímedes a nanoescala. Aquestes estructures, quan es combinen en una solució de molècules quirals, probablement amplificaran el senyal global de detecció en espectroscòpia de dicroisme circular gràcies a les seves propietats electromagnètiques antinaturals. Aquestes propietats obriran noves perspectives per als instruments òptics utilitzats habitualment en química, bioquímica i farmacologia. Per exemple, podrien facilitar la detecció de biomarcadors quirals presents en concentracions molt baixes per al diagnòstic de malalties, el pronòstic, el monitoratge d’efectes adversos de fàrmacs i la medicina personalitzada. També es preveuen noves funcionalitats, aplicables a futurs dispositius de camuflatge de la invisibilitat i imatges de superresolución en medicina, observació de la Terra i exploració espacial.

Imatge: representació gràfica que exemplifica la propietat de quiralitat.