Naaman und sein Team entdeckten, dass chirale Moleküle Elektronen anhand der Richtung ihres Spins filtern. Elektronen mit einer Spinorientierung bewegen sich effizienter durch ein chirales Molekül in die eine Richtung als in die andere. Elektronen mit entgegengesetztem Spin bewegen sich freier in die andere Richtung.
Um zu verstehen, warum, stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Frisbee, der von der Wand eines Flurs abprallt. Trifft die Frisbee-Scheibe auf die rechte Wand, springt sie nur dann nach vorne, wenn sie sich im Uhrzeigersinn dreht; andernfalls springt es nach hinten. Das Gegenteil passiert, wenn Sie das Frisbee von der linken Wand schlagen. In ähnlicher Weise „streuen chirale Moleküle die Elektronen entsprechend ihrer Rotationsrichtung“, sagte Naaman. Er und sein Team nannten dieses Phänomen den chiral-induzierten Spin-Selektivitätseffekt (CISS).
Aufgrund dieser Streuung aggregieren Elektronen mit einem bestimmten Spin schließlich an einem Pol eines chiralen Moleküls (und die rechts- und linkshändigen Versionen des Moleküls sammeln an ihren jeweiligen Polen entgegengesetzte Spins). Diese Neuverteilung der Spins beeinflusst jedoch die Wechselwirkung der chiralen Moleküle mit magnetischen Oberflächen, da sich in entgegengesetzte Richtungen drehende Elektronen gegenseitig anziehen und diejenigen, die sich in die gleiche Richtung drehen, einander abstoßen.
Wenn sich ein chirales Molekül einer magnetischen Oberfläche nähert, wird es daher näher herangezogen, wenn das Molekül und die Oberfläche entgegengesetzte Spinvorspannungen haben. Wenn ihre Drehungen übereinstimmen, stoßen sie sich gegenseitig ab. (Da auch andere chemische Wechselwirkungen stattfinden, kann das Molekül nicht einfach umdrehen, um sich neu auszurichten.) Eine magnetische Oberfläche kann also als chirales Mittel wirken und vorzugsweise nur mit einem Enantiomer einer Verbindung interagieren.
Im Jahr 2011 gründeten Naaman und sein Team in Zusammenarbeit mit einem Team der Universität Münster in Deutschland habe den Spin gemessen von Elektronen, die sich durch doppelsträngige DNA bewegten, was bestätigt, dass der CISS-Effekt sowohl real als auch stark ist.
Zu diesem Zeitpunkt begann die Erforschung des Effekts und seiner möglichen Anwendungen „zu boomen“, sagte Naaman. Er und sein Team entwickelten beispielsweise mehrere Möglichkeiten, den CISS-Effekt zu nutzen, um Verunreinigungen aus Biomedizinmitteln zu entfernen oder um falsche Enantiomere aus Medikamenten auszuschließen und so schwerwiegende Nebenwirkungen zu verhindern. Sie haben auch untersucht, wie der CISS-Effekt zur Erklärung beitragen könnte Mechanismen der Anästhesie.
Sie begannen jedoch erst ernsthaft mit der Idee zu arbeiten, dass der CISS-Effekt beim Aufstieg der biologischen Homochiralität eine Rolle spielt, nachdem sie von einem Team in Harvard unter der Leitung des Astronomen eingeladen wurden, an einer Hypothese mitzuarbeiten Dimitar Sasselov und sein Doktorand S. Furkan Öztürk.
Eine physikalische Perspektive
Ozturk, der junge Hauptautor der jüngsten Arbeiten, stieß 2020 als Physikstudent in Harvard auf das Homochiralitätsproblem. Da er mit seiner Forschung zu Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen unzufrieden war, blätterte er in einem Wissenschaftsmagazin, das die 125 größten Geheimnisse der Welt detailliert auflistete, und erfuhr dabei von Homochiralität.
„Es sah wirklich nach einer physikalischen Frage aus, weil es um Symmetrien geht“, sagte er. Nachdem er sich an Sasselov gewandt hatte, den Direktor der Harvard Origins of Life Initiative, der sich bereits für die Frage der Homochiralität interessierte, wechselte Ozturk zu einer Stelle als Student in seinem Labor.