Dentro brevemente
- Cientistas da Penn Engineering desenvolveram um método de detecção quântica que detecta sinais em átomos individuais, proporcionando uma precisão sem precedentes na análise molecular.
- O processo inovador divide núcleos únicos para revelar diferenças sutis na estrutura celular, permitindo avanços em áreas como desenvolvimento de medicamentos e pesquisa de proteínas.
- A descoberta foi feita usando centros de vacâncias de nitrogênio em diamantes e combina teoria de décadas com tecnologia moderna, abrindo novas fronteiras na física quântica e na espectroscopia.
- Imagem: Uma representação esquemática da minúscula diferença de ácido nucleico detectada usando a técnica de ressonância quadrupolar nuclear descrita no novo artigo. (Mathieu Ouellet)
ÚLTIMO ORADOR – Desde a década de 1950, os cientistas usam ondas de rádio para encontrar “impressões digitais” moleculares de objetos desconhecidos, o que ajuda em tarefas tão diversas como escanear o corpo humano com máquinas de ressonância magnética e detectar explosivos em aeroportos.
Estes métodos, no entanto, dependem de sinais entre milhares de milhões de átomos, tornando impossível detectar pequenas diferenças entre moléculas individuais. Tais limitações impedem aplicações em campos como a pesquisa de proteínas, onde pequenas diferenças na função regulam a postura e podem determinar a diferença entre saúde e doença.
Insights Subatômicos
Agora, engenheiros da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia (Penn Engineering) usaram sensores quânticos para detectar diferentes variações da espectroscopia de ressonância quadrupolar nuclear (NQR), um método comum usado para detectar drogas e explosivos ou para analisar medicamentos.
Descrito em Nanolivrosa nova técnica é tão precisa que pode detectar sinais NQR em átomos individuais – algo que antes se pensava inatingível. Esta sensibilidade sem precedentes abre portas para avanços em áreas como o desenvolvimento de medicamentos, onde a compreensão das interações moleculares no nível atômico é essencial.
“Esta técnica permite-nos isolar núcleos individuais e revelar pequenas diferenças no que se pensava serem moléculas idênticas”, disse ele. Lee BassetProfessor Associado em Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), Diretor da Penn's Laboratório de Engenharia Quântica (QEL) e autor sênior do artigo. “Ao focar em um único núcleo, podemos revelar detalhes sobre a estrutura e dinâmica molecular que antes estavam ocultas. Essa capacidade nos permite estudar os fundamentos da natureza em um nível totalmente novo.”
Uma descoberta inesperada
A descoberta veio de uma observação inesperada durante um exame de rotina. Alex Breitweiserque recentemente se formou com doutorado em Física pela Penn's School of Arts & Sciences e primeiro autor do artigo, agora pesquisador da IBM, tem trabalhado com centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamantes – defeitos em escala atômica frequentemente usados para análises quânticas. detecção – quando ele vê padrões incomuns nos dados.
Sinais ocasionais pareciam ser um artefato experimental, mas persistiram após extensa solução de problemas. Voltando aos livros didáticos das décadas de 1950 e 1960 sobre ressonância magnética nuclear, Breitweiser identificou um mecanismo físico que explicava o que estavam vendo, mas que havia sido anteriormente descartado como irrelevante para os experimentos.
Os avanços na tecnologia permitiram à equipe detectar e medir impactos que antes estavam fora do alcance dos instrumentos científicos. “Percebemos que não estávamos apenas vendo confusão”, disse Brietweiser. “Estávamos entrando em um novo domínio da física que poderíamos alcançar com esta tecnologia.”
Precisão sem precedentes
Uma compreensão do efeito também foi desenvolvida em colaboração com pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft na Holanda, onde Breitweiser passou algum tempo pesquisando sobre temas relacionados como parte das relações internacionais. Ao combinar experiência em física experimental, detecção quântica e modelagem teórica, a equipe criou um método capaz de capturar sinais de átomo único com extraordinária precisão.
“É como dividir uma única linha em uma planilha grande”, explica ele Mathieu Ouelletum recém-formado pela ESE e co-autor do artigo. “O NQR tradicional produz algo como uma média – você tem uma noção dos dados como um todo, mas não sabe nada sobre pontos de dados individuais. Dessa forma, é como se revelássemos todos os detalhes por trás da média, separássemos o sinal em um único núcleo e revelar suas características únicas.”
Esclarecendo sintomas
Determinar a base teórica para um resultado experimental inesperado exigiu um esforço considerável. Ouellet teve que examinar cuidadosamente várias hipóteses, usando simulações e cálculos para combinar os dados com as possíveis causas. Ele explica: “É como diagnosticar um paciente com sintomas. “Os detalhes apontam para algo incomum, mas muitas vezes há muitas explicações possíveis. Demorou muito para chegar à conclusão certa.”
Olhando para o futuro, os investigadores veem um grande potencial na sua abordagem para enfrentar desafios científicos prementes. Ao revelar fenómenos anteriormente ocultos, este novo método poderá ajudar os cientistas a compreender melhor os processos moleculares que moldam o nosso mundo.
Esta pesquisa foi conduzida na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia e é apoiada pela National Science Foundation (ECCS-1842655, DMR-2019444). Apoio adicional veio do Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá, por meio de um doutorado. Bolsa concedida a Ouellet, também da IBM, para doutorado. Bolsa concedida pela Breitweiser.
Coautores adicionais incluem Tzu-Yung Huang, ex-aluno de doutorado da ESE na Penn Engineering, agora no Nokia Bell Labs, e Tim H. Taminiau na Delft University of Technology.
