Revealing Molecules ’Handedness’ with the Naked Eye Now Possible
; Development of a Technology for Ultrasensitive Measuring the Chirality of Molecules 
[Picture] KU-Seoul National University Joint Research Group
(From top left to right) The corresponding authors who led the research: Professor Lee Seungwoo (Department of Integrative Energy Engineering at the KU/KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology), Professor Nam Kitae (Department of Materials Science & Engineering at Seoul National University), and Professor Park Q-Han (Department of Physics at KU) and (from bottom left to right) Professor Yoo Seokjae (first author, Department of Physics at Inha University, graduated with a doctorate from KU), Kim Ryeong-Myeong (Department of Materials Science & Engineering at Seoul National University), and Huh Ji-Hyeok (Research professor of the KU-KIST Graduate School of Converging science and technology)

 

The right and left hands may look similar, but a left-handed glove can’t be worn on the right hand.  This “handedness” characteristic of being mirror images without being superimposable is known as “chirality.”   
The collaborative research group of Professor Seungwoo Lee and Q-Han Park of KU and Professor Nam Kitae of Seoul National University discovered a new physical phenomenon 
regarding chiral nanoparticle-based light-matter interactions and successfully applied it to biomolecules and the analysis of their chirality.

This study was supported by the Creative Materials Discovery Program financed by the Ministry of Science and ICT to develop novel materials for realizing new properties and functions 
by utilizing new research methodologies (computational science, etc.). The results of this study were published in Nature (IF 69.504) on December 15, 2022.
 

* Title of article: Enantioselective sensing by collective circular dichroism / Nature
 

* Authors: Ryeong Myeong Kim (first author), Ji-Hyeok Huh (first author), SeokJae Yoo (first author), Tae Gyun Kim, Changwon Kim, Hyeohn Kim, Jeong Hyun Han, Nam Heon Cho, 
Yae-Chan Lim, Sang Won Im, Eun Ji Im, Jae Ryeol Jeong, Min Hyung Lee, Tae-Young Yoon, Ho-Young Lee, and Q-Han Park (corresponding authors), Seungwoo Lee (corresponding author), 
and Ki Tae Nam (corresponding author).

Chirality is observed in various biomolecules, including amino acids, DNA, and proteins. It’s believed to play a crucial role in determining the directionality of diverse biological phenomena.  For example, the molecule “thalidomide” produces significantly different biologically active effects depending on its chirality. While used as a drug to treat morning sickness in pregnant women,  its opposite chirality acts as a lethal poison affecting fetal physical development.

Analyzing a molecule’s chirality typically involves examining the differences in interactions with two circularly polarized lights rotating in opposite directions. Circularly polarized light refers to light in which electromagnetic waves rotate in a circular motion as they propagate. However, the sizes of molecules and light are incompatible, meaning the interaction between light and matter isn’t  sufficiently strong. As a result, high-concentration samples and extensive measurement times are required.

The research team discovered a groundbreaking new physical phenomenon that addresses this issue. They found that the unique geometric characteristics of chiral gold nanoparticles resonate with  incident circularly polarized light, allowing efficient control of the circularly polarized lights near the nanoparticles. 

By introducing chiral molecules to a two-dimensional nanoparticle array, the research team successfully maximized the interactions between incident circularly polarized light and  chiral molecules, achieving a chirality sensitivity that exceeds the conventional chirality detection limit. In addition, focusing on the finding that the chiral signal amplification caused 
by the chiral gold nanoparticle array is present in a region including visible light, the research group successfully provided a naked eye-based chirality detector that enables one  to distinguish the chirality of molecules without a particular tool.

Professor Seungwoo Lee & Q-Han Park of KU, the co-corresponding authors of the article, performed an electromagnetic simulation on the optical properties 
of the lattice of chiral gold nanoparticles, demonstrating their sensitivity to molecular chirality and establishing a novel physical theory.  They said, “Our results are greatly encouraging because we were able to open a new way to chiral molecule detection through the creative convergence of biomimetic material science, engineering,  and computational nano-optics. Now, we live in a new era where we can figure out the chirality of molecules with our naked eyes.”

This research is anticipated to be utilized in the analysis of chirality in various biomolecules, chemical drugs, and pharmaceuticals. Therefore, the new technology is expected to have significant  ripple effects not only on multiple industries where biomaterial synthesis and analysis are important, such as analytics, diagnostics, and pharmaceutics, but also on basic sciences, such as chemistry,  biology, and physics.