Yaşayan bir hücreye aşırı duyarlı kuantum sensörleri koymak, hücre büyümesini izlemek ve hastalıkları – hatta kanserleri bile – erken aşamalarında teşhis etmek için umut verici bir yoldur.
En iyi, en güçlü kuantum sensörlerinin çoğu, küçük elmas parçalarında oluşturulabilir, ancak bu ayrı bir soruna yol açar: bir hücreye bir elmas yapıştırmak ve işe almak zordur.
Chicago Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu Ph.D., “Gerçekten moleküler düzeyde araştırmanız gereken her türlü süreçler, çok büyük bir şey kullanamazsınız. Hücrenin içine girmelisiniz. Nanoparçacıklara ihtiyacımız var.” Dedi. aday uri zvi. “İnsanlar Diamond Nanokristalleri daha önce biyosensör olarak kullandılar, ancak beklediğimizden daha kötü performans gösterdiklerini keşfettiler. Çok daha kötü.”
ZVI, yayınlanan bir makalenin ilk yazarıdır. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri Bu sorunu ele alıyor. Uchicago PME ve Iowa Üniversitesi’nden araştırmacılar, ZVI United Hücresel Biyoloji, Kuantum Hesaplama, Eski Moda Yarı İletkenler ve Yüksek Tanımlama TV’lerinden Insights ile birlikte devrim niteliğinde yeni bir kuantum biyosensör oluşturmak için. Bunu yaparken, kuantum malzemelerde uzun süredir devam eden bir gizeme ışık tutuyorlar.
Bir elmas nanoparçacık, özel olarak tasarlanmış bir kabukla – QLED televizyonlardan esinlenen bir teknikle – yalnızca canlı bir hücre için ideal bir kuantum biyosensör yaratan değil, aynı zamanda bir malzemenin yüzeyinin kuantum özelliklerini geliştirmek için nasıl değiştirilebileceğine dair yeni bilgiler ortaya çıkardı.
ZVI’nin baş araştırmacısı Uchicago PME Prof. Aaron Esser-Kahn, “Zaten dünyadaki en hassas şeylerden biri ve şimdi bunu bir dizi farklı ortamda daha da geliştirmenin bir yolunu buldular.” Dedi.
Elmaslarla dolu bir hücre
Diamond Nanokristallerde barındırılan kubitler, parçacıklar canlı bir hücre tarafından “alınacak” yeterince küçük olsa bile kuantum tutarlılığını korur – iyi bir metafor, onları tükürmeden üzerlerinde yutma ve çiğnendir. Ancak elmas parçacıkları ne kadar küçük olursa, kuantum sinyali o kadar zayıf olur.
Uchicago PME Yrd, “Bu kuantum sensörlerinin canlı hücrelere getirilebileceği ve prensip olarak bir sensör olarak yararlı olabilmesi için insanları heyecanlandırıyor” dedi. Peter Maurer, makalenin ortak yazarı. “Bununla birlikte, büyük bir dökme elmas parçasının içindeki bu tür kuantum sensörleri gerçekten iyi kuantum özelliklerine sahip olsa da, nano elmaslarındayken, tutarlı özellikler, kuantum özellikleri aslında önemli ölçüde azalır.”
Burada ZVI, ilham için beklenmedik bir kaynağa döndü – Quantum Dot LED televizyonlar. QLED TV’ler zengin, tam renklerde yayınlamak için canlı floresan kuantum noktaları kullanır. İlk günlerde, renkler parlak ama dengesizdi, aniden yanıp sönmeye eğilimli.
ZVI, “Araştırmacılar, kuantum noktalarını dikkatle tasarlanmış kabuklarla çevrelemenin zararlı yüzey etkilerini bastırdığını ve emisyonlarını arttırdığını buldular.” Dedi. “Ve bugün TV’nizin bir parçası olarak daha önce dengesiz bir kuantum nokta kullanabilirsiniz.”
Uchicago PME ve Kimya Departmanı ile çalışan Quantum DOT uzmanı Prof. Dmitri Talapin, makalenin ortak yazarı olan ZVI, her iki sorun kümesinin-kuantum noktalarının floresanı ve nanodiamond zayıflatılmış sinyalin-yüzey durumu ile ilgili olarak benzer bir yaklaşım işe yarayabileceğini düşündü.
Ancak sensör yaşayan bir bedene girmesi gerektiğinden, her kabuk işe yaramaz. Bir immüno-mühendislik uzmanı olan Esser-Kahn, hem kuantum özelliklerini geliştirecek hem de bir şeyin ters olduğu bağışıklık sistemini devirmeyecek bir silikon-oksijen (siloksan) kabuğu geliştirilmesine yardımcı oldu.
Esser-Kahn, “Bu malzemelerin çoğunun yüzey özellikleri, bağışıklık hücrelerinin orada olması gerektiğini söyleyebilecek şekilde yapışkan ve düzensizdir. Bir bağışıklık hücresine yabancı bir nesne gibi görünüyorlar.” Dedi. “Siloksan kaplı şeyler büyük, pürüzsüz bir su damlası gibi görünüyor. Ve böylece vücut yutulmak ve sonra böyle bir parçacığı çiğnemek için çok daha mutlu.”
Yüzey mühendisliği yoluyla elmas nanokristallerin kuantum özelliklerini iyileştirme çabaları sınırlı bir başarı göstermiştir. Sonuç olarak, ekip sadece mütevazı kazançlar bekledi. Bunun yerine, dört kat Spin tutarlılığında iyileştirmeler.
Bu artış-floresanda 1.8 kat artış ve stabiliteyi yüklemek için önemli artışlar-hem şaşırtıcı hem de büyüleyici bir bilmeceydi.
Daha iyi ve daha iyi
“Geceleri yatmaya çalışırdım ama ‘orada ne oluyor?Ama neden? “ dedi Iowa Üniversitesi Yrd. Prof. Denis Candido, yeni gazetenin ikinci yazarı. “’Ya bu deneyi yaparsak? Ya bu hesaplamayı yaparsak?’ Çok, çok heyecan vericiydi ve sonunda tutarlılığın iyileştirilmesinin altında yatan neden bulduk. “
Disiplinlerarası ekip-biyo-mühimmat-quantum-bilim adamı ZVI, immünoenezi Esser-Kahn ve kuantum mühendisleri Maurer ve Talapin-Iowa Fizik ve Astronomi Üniversitesi, araştırma için teorik çerçeve sağlamak için Michael Flatté.
Flatté, “Bu konuda gerçekten heyecan verici bulduğum şey, yarı iletken elektronik teknoloji için kritik olan bazı eski fikirlerin bu yeni kuantum sistemleri için gerçekten önemli olduğu ortaya çıktı.” Dedi.
Silika kabuğunun eklenmesinin sadece elmas yüzeyini korumadığını buldular. İçindeki kuantum davranışını temel olarak değiştirdi. Malzeme arayüzü, elmastan elektron transferini kabuğa sürüklüyordu. Normalde kuantum tutarlılığını azaltan atomlardan ve moleküllerden elektronların tükenmesi, canlı hücrelerden gelen sinyalleri okumak için daha hassas ve kararlı bir yol yaptı.
Bu, ekibin tutarlılığı bozan ve kuantum cihazlarını daha az etkili hale getiren belirli yüzey alanlarını belirlemesini sağladı-kuantum algılama alanında uzun süredir devam eden bir gizemi çözdü ve hem mühendislik inovasyonu hem de temel araştırmalar için yeni kapılar açtı.
ZVI, “Son etki sadece daha iyi bir sensör değil, kuantum nanomalzemelerde mühendislik tutarlılığı ve yük stabilitesi için yeni, nicel bir çerçeve.” Dedi.
