Diseño de dispositivos quirales con aplicaciones en nanotecnología

Abstract

RESUMEN: El concepto de quiralidad la atípica propiedad que muestra un objeto que no es superponible con su imagen especular es de gran importancia en diversos campos, entre ellos las ciencias de la salud, ya que muchas moléculas y biorreceptores exhiben esta naturaleza. En concreto, la distinción de enantiómeros las distintas formas en las que un objeto quiral se puede presentar es vital para el sector farmacéutico, puesto que diferentes enantiómeros pueden tener efectos distintos, a veces contraproducentes, en el cuerpo humano. La óptica ha jugado un importante papel en el reconocimiento de estos compuestos. En concreto, durante la última década, varias técnicas ópticas han sido desarrolladas para la diferenciación de enantiómeros, explotando el hecho de que la propia luz puede ser quiral dependiendo de su polarización. En este trabajo se estudia la respuesta electromagnética de sistemas quirales con el fin de encontrar una estructura que permita un sensado eficiente y selectivo de enantiómeros. En concreto, se ha realizado el diseño y caracterización de una metasuperficies plasmónica capaz de amplificar la respuesta quiro-óptica de muestras en una longitud de onda del infrarrojo cercano (NIR), y llevarla al rango ultravioleta (UV), donde se ubican los picos de absorción de la mayoría de moléculas; mediante la generación de tercer armónico. Partiendo de una celda unidad quiral, basada en una estructura conocida en la literatura, se realiza una optimización, obteniendo una señal de dicroísmo circular en campo lejano de -8◦ y valores del factor de disimetría en campo cercano superiores a ±2 a λ = 900 nm. La estructura ofrece una generación de tercer armónico quiral, con un dicroísmo circular asociado de 7◦ . Por otra parte, se ha realizado un estudio de la respuesta térmica de dicha celda unidad, empleando métodos de elementos finitos, demostrando que, a una intensidad de I = 10 mW/µm2 se produce un calentamiento moderado de la estructura y su entorno. El estudio se ha completado con el planteamiento en metasuperficie de la celda unidad propuesta, obteniendo una señal de dicroísmo circular en campo lejano de -14◦ y valores del factor de dissimetría en campo cercano en torno a ±2 a λ = 900 nm, además de un dicroísmo circular de tercer armónico de cerca de -20◦.

ABSTRACT: The concept of chirality — an atypical property an object that cannot be superimposed with its mirror image shows — is of great importance in various fields, including life sciences, as many bioreceptors exhibit this nature. Specifically, the distinction between enantiomers different forms in which a chiral object can present itself – is very important for the pharmaceutical sector, as different enantiomers of the same molecule often have different effects in the human body. During the last decade, several enantiomer differentiation techniques based in optics have been developed, since light can be chiral depending on its polarization. In this work the electromagnetic response of different chiral systems is studied in order to find a structure able to enhance the chiroptical response of possible targets (enantiomers being sensed). In particular, the design and characterization of a plasmonic metasurface capable of enhancing the chiroptical response of samples put onto it, at a near infrarred wavelength; has been performed. This chiroptical amplification consisted also on the differential generation of a Third Harmonic chiral wave at a ultraviolet wavelength, where molecules often have their absorption peaks. Using a chiral unit cell based on a well-known structure from the literature, an optimization process has been carried out, obtaining a Circular Dichroism signal of -8◦ in the far field regime and dissymmetry factor values over ±2 in the near field, at a wavelength λ = 900 nm. The unit cell structure also offered a chiral Third Harmonic Generation, with an associated Circular Dichroism signal of 7◦. A thermal response study has also been performed on the unit cell structure using Finite Element Methods. It has been demonstrated that with a standard illumination intensity of I = 10 mW/µm2, mild temperature increments are observed in the structure and its surroundings. The study has been completed with a metasurface treatment of the unit cell, obtaining a Circular Dichroism signal of -14◦ in the far field and dissymmetry factor values near ±2in the near field, at a wavelength λ = 900 nm . The Circular Dichroism signal associated with the metasurface Third Harmonic Generation was of about -20◦.