Nano Letters: Новая технология поможет лучше понять мир на молекулярном уровне

С 1950-х годов ученые используют радиоволны для выявления молекулярных следов неизвестных материалов, что помогает в таких разнообразных задачах, как сканирование человеческого тела с помощью аппаратов МРТ и обнаружение взрывчатых веществ в аэропортах.

Однако эти методы основаны на сигналах, усредненных от триллионов атомов, что делает невозможным обнаружение крошечных вариаций между отдельными молекулами. Такие ограничения препятствуют применению в таких областях, как исследование белков, где небольшие различия в форме контролируют функциональность и могут определять разницу между здоровьем и болезнью.

Субатомное понимание

Теперь инженеры Школы инженерных и прикладных наук Пенсильванского университета (Penn Engineering) с помощью квантовых сенсоров реализовали революционную вариацию спектроскопии ядерного квадруполярного резонанса (ЯКР) — метода, традиционно используемого для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ или анализа фармацевтических препаратов.

Новый метод, описанный в журнале Nano Letters, настолько точен, что позволяет обнаруживать сигналы ЯКР от отдельных атомов — подвиг, который раньше считался недостижимым. Такая беспрецедентная чувствительность открывает путь к прорыву в таких областях, как разработка лекарств, где понимание молекулярных взаимодействий на атомарном уровне имеет решающее значение.

Эта техника позволяет нам изолировать отдельные ядра и выявить крошечные различия в молекулах, которые считались идентичными, — говорит Ли Бассетт, доцент кафедры электротехники и системной инженерии (ESE), директор Лаборатории квантовой инженерии (QEL) Пенсильвании и старший автор статьи.

Сосредоточив внимание на одном ядре, мы можем раскрыть детали молекулярной структуры и динамики, которые ранее были скрыты. Эта возможность позволяет нам изучать строительные блоки мира природы в совершенно новом масштабе.

Неожиданное открытие

Открытие было сделано благодаря неожиданному наблюдению во время рутинных экспериментов. Алекс Брайтвайзер, недавний выпускник докторантуры по физике Школы искусств и наук Пенсильвании и один из первых авторов статьи, который сейчас работает в IBM, работал с центрами азотной вакансии (NV) в алмазах — дефектами атомного масштаба, часто используемыми в квантовом зондировании, — когда заметил необычные закономерности в данных.

Периодические сигналы выглядели как экспериментальный артефакт, но после длительного поиска неисправностей они сохранялись. Обратившись к учебникам 1950-60-х годов по ядерному магнитному резонансу, Брайтвайзер выявил физический механизм, который объяснял наблюдаемые явления, но который ранее не принимался во внимание как экспериментально несущественный.

Развитие технологий позволило команде обнаружить и измерить эффекты, которые раньше были недоступны для научных приборов.

Мы поняли, что не просто наблюдаем аномалию, — говорит Брайтвайзер.

Мы проникли в новый режим физики, к которому мы можем получить доступ с помощью этой технологии.

Беспрецедентная точность

Понимание эффекта получило дальнейшее развитие благодаря сотрудничеству с исследователями из Делфтского технологического университета в Нидерландах, где Брайтвайзер проводил исследования по смежным темам в рамках международной стипендии. Объединив опыт в области экспериментальной физики, квантового зондирования и теоретического моделирования, команда создала метод, способный улавливать одноатомные сигналы с необычайной точностью.

Это похоже на выделение одной строки в огромной электронной таблице, — объясняет Матье Уэлле, недавний выпускник докторантуры ESE и другой соавтор статьи.

Традиционный NQR дает что-то вроде среднего значения — вы получаете представление о данных в целом, но ничего не знаете об отдельных точках данных. С помощью этого метода мы как будто раскрыли все данные за средним значением, изолировав сигнал от одного ядра и выявив его уникальные свойства.

Расшифровка сигналов

Определение теоретических основ неожиданного экспериментального результата потребовало значительных усилий. Уэлле пришлось тщательно проверять различные гипотезы, проводить моделирование и расчеты, чтобы сопоставить данные с потенциальными причинами.

Это похоже на диагностику пациента по симптомам, — объясняет он.

Данные указывают на что-то необычное, но зачастую существует множество возможных объяснений. Потребовалось немало времени, чтобы поставить правильный диагноз.

Заглядывая в будущее, исследователи видят огромный потенциал своего метода для решения насущных научных задач. Характеризуя явления, которые ранее были скрыты, новый метод может помочь ученым лучше понять молекулярные механизмы, формирующие наш мир.

Ранее российские ученые доказали эффективность нанокомпозита для лечения атеросклероза.

06.01.2025