Введение
Плоскостная хиральность, также известная как 2D-хиральность, представляет собой особый случай хиральности в двух измерениях. В своей основе, плоскостная хиральность – это математический термин, находящий применение в химии, физике и смежных физических науках, например, в астрономии, оптике и метаматериалах. Недавние достижения в последних двух областях связаны преимущественно с микроволновыми и терагерцовыми приложениями, а также с микро- и наноструктурированными плоскими интерфейсами для инфракрасного и видимого света.
В химии
Этот термин используется в контексте химии, например, для хиральной молекулы, не содержащей асимметричного атома углерода, но обладающей двумя некопланарными кольцами, каждое из которых диссимметрично и не может свободно вращаться вокруг химической связи, соединяющей их: 2,2'-диметилбифенил, пожалуй, является самым простым примером такого случая. Планарная хиральность также наблюдается у молекул, таких как (E)-циклооктин, некоторые ди- или полизамещенные металлоцены и определенные монозамещенные парациклофаны. В природе плоские хиральные молекулы встречаются редко, исключением является кавикулярин.
Определение конфигурации плоских хиральных молекул
Для определения конфигурации плоской хиральной молекулы, начните с выбора опорного атома – атома с наивысшим приоритетом из тех, что не лежат в плоскости, но непосредственно связаны с атомом в плоскости. Затем определите приоритет трех атомов, расположенных в плоскости, начиная с атома, связанного с опорным атомом, как приоритет 1, и, при наличии выбора, присваивайте приоритеты в порядке убывания. После этого представьте себе опорный атом, находящийся перед тремя рассматриваемыми атомами. Если эти три атома расположены по часовой стрелке в порядке убывания приоритета, молекуле присваивается конфигурация R; если против часовой стрелки – конфигурация S.
Хиральная дифракция
Папакостас и др. отметили в 2003 году, что планарная хиральность влияет на поляризацию света, дифрагированного массивами планарных хиральных микроструктур, при этом большие изменения поляризации противоположного знака были зарегистрированы в свете, дифрагированном от планарных структур с противоположной энантиомерной формой.
Дихроизм круговой конверсии
Исследование планарных хиральных метаматериалов показало, что планарная хиральность также связана с оптическим эффектом в недифрагирующих структурах: направленно асимметричным пропусканием (отражением и поглощением) циркулярно поляризованных волн. Планарные хиральные метаматериалы, которые также анизотропны и обладают потерями, демонстрируют различные уровни общего пропускания (отражения и поглощения) для одной и той же циркулярно поляризованной волны, падающей на их лицевую и обратную стороны. Феномен асимметричного пропускания возникает из-за различной эффективности преобразования циркулярной поляризации, например, слева направо, для противоположных направлений распространения падающей волны, и поэтому этот эффект называется циркулярным дихроизмом преобразования. Подобно тому, как кажущийся изгиб планарного хирального узора выглядит зеркально отраженным при наблюдении в противоположных направлениях, планарные хиральные метаматериалы проявляют взаимозамененные свойства для лево- и правовращающихся циркулярно поляризованных волн, падающих на их лицевую и обратную стороны. В частности, лево- и правовращающиеся циркулярно поляризованные волны испытывают противоположные асимметрии направленного пропускания (отражения и поглощения).
Внешняя плоская хиральность
Ахиральные компоненты могут формировать хиральную структуру. В этом случае хиральность не является внутренним свойством компонентов, а навязывается извне их взаимным положением и ориентацией. Эта концепция обычно применяется к экспериментальным установкам, например, к ахиральному (мета)материалу, освещенному пучком света, где направление освещения делает всю установку отличной от ее зеркального отражения. Внешняя планарная хиральность возникает при освещении любого периодически структурированного интерфейса при определенных направлениях освещения. Начиная с нормального падения на периодически структурированный интерфейс, внешняя планарная хиральность возникает при наклоне интерфейса вокруг любой оси, не совпадающей с линией зеркальной симметрии интерфейса. В присутствии потерь внешняя планарная хиральность может приводить к циркулярному дихроизму преобразования, как описано выше.
Киральные зеркала
Обычные зеркала изменяют крутизну (или направленность) циркулярно поляризованных волн при отражении. В отличие от этого, хиральное зеркало отражает циркулярно поляризованные волны с одной крутизной без изменения крутизны, в то время как поглощает циркулярно поляризованные волны с противоположной крутизной. Идеальное хиральное зеркало демонстрирует круговой дихроизм с идеальной эффективностью. Хиральные зеркала могут быть реализованы путем размещения плоского хирального метаматериала перед обычным зеркалом. Эта концепция была использована в голографии для создания независимых голограмм для лево- и правоциркулярно поляризованных электромагнитных волн. Сообщалось об активных хиральных зеркалах, которые могут переключаться между левой и правой крутизной, или между хиральным и обычным зеркалом.