0
2964
Газета Наука 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


Крыло для сверхзвукового самолета – это почти произведение искусства

Крыло для сверхзвукового самолета – это почти произведение искусства

Валерий Агеев

Ловушка для воздушных вихрей

0
3337
Масштаб абсурда отличает великую физику от просто хорошей

Масштаб абсурда отличает великую физику от просто хорошей

Евгений Стрелков

Борис Булюбаш

К 100-летию со дня рождения Андрея Сахарова – неразговорчивого интроверта, сосредоточенного на своих мыслях

0
10223
Как связан потоп в Бангладеш с экспериментами на коллайдере в Женеве

Как связан потоп в Бангладеш с экспериментами на коллайдере в Женеве

Александр Спирин

Магнитный «зонтик» прохудился

0
7857
Новости науки. Как залезть в мозг, не вскрывая череп

Новости науки. Как залезть в мозг, не вскрывая череп

Игорь Лалаянц

0
1426

Другие новости

Загрузка...