0
3159
Газета Печатная версия

09.03.2021 22:54:00

Как измерить силу одной молекулы

На помощь физикам приходят одиночные фотоны

Тэги: кванты, фотоны, физика


3-12-2480.jpg
Оптический пинцет в виде песочных часов,
создающий силу, влекущую наночастицу
германия по микротрубочке. 
Научный прогресс часто измеряют все более высоким разрешением инструментов, оперирующим величинами с приставками нано- и пико- (10–9 и 10–12). Уменьшение физических размеров не является самоцелью, а есть проявление поступательного движения к квантовым проявлениям и феноменам, проявляющим себя на таких расстояниях. И все это обусловлено лавинообразным нарастанием информационными потоками, объем которых к 2025 году может приблизиться к 200 зетабайтам (триллионам гигабайтов).

Одно из решений дальнейшей миниатюризации видится в использовании квантовых точек, генерирующих одиночные фотоны «по требованию» (on demand). Такие точки, состоящие всего лишь из десятков тысяч атомов, «погружены» в матрикс из другого полупроводника. Фотоны в отличие от электронов не взаимодействуют друг с другом и материалом, что исключает сопротивление и образование тепла. Малые размеры квантовых точек и их однородность способствуют стабильности длины волны фотонов, которые благодаря волноводам идут по оптическим цепям в нужном направлении.

В Университете Южной Калифорнии (США) предложили в качестве материала квантовых точек галлий и индий. Путем самосборки они образуют наночастицы арсенида этих металлов (GaAs, InAs). Химическая чистота наногенераторов одиночных фотонов и однородность размеров, не превышающих 5–8 нм, достигла 99,5%. Это обеспечило одинаковые длины волн генерируемых фотонов (их разброс не превышал 1,8 нм). В качестве показателя качества авторы отмечают, что эффективность их точек в 20–40 раз выше существующих сегодня.

Иной подход к созданию сверхбыстрой оптоэлектроники разработан в Университете Дьюка в г. Дарем (США). Для усиления и ускорения электронов там разработали чип площадью около 1 кв. см, на поверхности которого наноинженеры поместили в правильном порядке (через 200 нм друг от друга) серебряные нанокубики со стороной грани 60 нм. Тем самым был создан так называемый метаматериал с уникальными квантовыми свойствами. В качестве подложки для кубиков использовано стекло (SiO2), на которое нанесены слой серебра толщиной 75 нм и затем четыре полимерных слоя с красителем.

3-12-1480.jpg
Серебряные нанокубики, генерирующие
плазмоны. Иллюстрации Physorg
Освещение кубиков лазерным лучом, длина волны которого близка к инфракрасной, генерирует с рекордной эффективностью 30% характерные для поверхности благородных металлов плазмоны. При этом «светимость» нового чипа возросла в 910 раз, а скорость эмиссии – в 133 раза. Авторы этой работы надеются на самое широкое применение своего детища в качестве молекулярных сенсоров, требующих особого разрешения.

В качестве первой из мишеней может быть выбран моторный белок кинезин. Без него невозможны деление клетки и доставка нервных сигналов к синапсам (точкам взаимодействия нервных клеток). Кинезин имеет хвост, с помощью которого он «тащит» на буксире пузырьки-везикулы со специфическим грузом, например нейромедиатором (адреналином, к примеру).

В публикации в журнале Science для измерения силы, порождаемой кинезином, предложено использовать наночастицы германия диаметром 60 нм, одетые в двойной слой жироподобных липидов, имитирующий двуслойные клеточные мембраны. Согласно международной системе физических величин СИ, единица силы «ньютон» определяется как та, что требуется для придания телу массой 1 кг ускорения в 1 м/с2. Кинезиновая сила измеряется пиконьютонами, или триллионными долями этой единицы, что в обычной жизни невозможно себе представить. Тем не менее именно такими величинами измеряются молекулярные процессы в клетках, где шаг перемещение германиевой частицы составил 2,4 нм.

Точное знание показателей кинетики очень важно, например, с точки зрения разработки новых лекарств, не вызывающих привыкания и зависимости, а также для борьбы с нейродегенеративными расстройствами. Следует, однако, помнить, что для оценки эффективности новых средств требуется надежная система количественной оценки их действия. Вполне возможно, что первая из них успешно создана. 


Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Вам необходимо Войти или Зарегистрироваться

комментарии(0)


Вы можете оставить комментарии.


Комментарии отключены - материал старше 3 дней

Читайте также


Рифмы радионеба и комментарии к ним

Рифмы радионеба и комментарии к ним

Евгений Стрелков

Загородная научная жизнь, почти воплощенная Аркадия

0
986
Так глубоко в структуру мироздания физики еще никогда не забирались

Так глубоко в структуру мироздания физики еще никогда не забирались

Александр Спирин

Волны материи и корпускулы света

0
4236
Самый страшный эпизод в жизни профессора Блюменфельда

Самый страшный эпизод в жизни профессора Блюменфельда

Юрий Магаршак

Рассказ об ученом, который после боя порвал удостоверение о приеме в партию, в которую его перед боем торжественно приняли

0
2459
Новости науки. На Марсе могут возникать "Пылевые дьяволы"

Новости науки. На Марсе могут возникать "Пылевые дьяволы"

0
1066

Другие новости

Загрузка...