La quiralitat és una propietat present a la natura que consisteix en la no superposició d’un objecte amb la seva imatge especular, o, el que és el mateix, el seu reflex en un mirall. Així, per exemple, la mà dreta no es pot superposar a la seva imatge especular, que és la mà esquerra. Tot i que la seva fórmula molecular és idèntica, l’orientació tridimensional és diferent.

La detecció d’estructures quirals a través d’espectroscòpia quiral és fonamental en química, biologia i la indústria farmacèutica, ja que proporciona informació important sobre les estructures secundàries de proteïnes, transicions electròniques i conformació de petites molècules. No obstant això, detectar la quiralitat molecular resulta molt complicat, ja que el senyal que apareix en l’espectròmetre és tan dèbil que fa difícil identificar aquestes diferències en l’estructura molecular.

Per avançar en aquest camp, el grup de recerca Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) treballarà en el projecte CELICOIDS - Nanohelicoid metamaterials templated by cellulose nanocrystals with end-tethered polymers, en el marc del qual es desenvoluparan nous metamaterials −materials dissenyats per tenir una propietat que no es troba en la natura− capaços d’augmentar la sensibilitat espectroscòpica per distingir la quiralitat molecular. Aquests metamaterials, amb forma helicoidal, s’obtindran a partir de cel·lulosa, un polisacàrid extret del paper, cotó o altres fibres vegetals, a la qual s’aplicarà un tractament d’hidròlisi que permetrà extreure nanocristalls de cel·lulosa, als quals s’acoblaran, als extrems, polímers funcionals sintètics. Aquests nanocristalls modificats s’utilitzaran com a plantilla per fabricar metamaterials metàl·lics.

Com a resultat, s’obtindrà una pel·lícula que es podrà impregnar amb metalls com l’or, per exemple, que quedarà immobilitzat als extrems, on hi ha aquests polímers funcionals. Després de cristal·litzar el metall i d’eliminar la plantilla de cel·lulosa modificada, l’objectiu final és aconseguir una estructura metàl·lica helicoidal nova, semblant a un cargol o rosca d’Arquímedes, en escala nano. Aquest procediment és pioner, ja que, fins ara, no ha estat possible fabricar estructures metàl·liques tan complexes mitjançant l’autoassemblatge.

Les aplicacions finals d’aquests nous metamaterials van des de l’òptica quiral al seu ús en nanodispositius, màquines i sensors quirals, a més d’aplicacions en els camps de la biologia o la indústria farmacèutica. També poden ser una base per a futurs dispositius d’encobriment d’invisibilitat i lents per a imatges de superresolució en ciències naturals i en l’àmbit mèdic.

A més, el procés d’enginyeria proposat, basat únicament en l’autoassemblatge, representa un canvi de paradigma en la recerca i la manufactura de metamaterials, ja que simplifica la fabricació de metamaterials quirals, que actualment es basa en processos complexos i costosos a partir de la deposició de vapor al buit.

CELICOIDS està finançat amb prop de dos milions d’euros, gràcies a un dels ajuts del Consell Europeu de Recerca (ERC, per les sigles en anglès d’European Research Council), dins del programa Horizon Europe. El projecte té una durada de 5 anys (març 2023 – febrer 2028).