Nova tecnologia de detecção quântica capta sinais de átomos individuais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/01/2025

Representação artística das minúsculas diferenças nucleicas detectáveis usando a forma de ressonância quadrupolar nuclear explorada pela equipe.
[Imagem: Mathieu Ouellet]

Sondando átomos

Desde a década de 1950, nossa melhor tecnologia para descobrir as "impressões digitais" moleculares de materiais desconhecidos se baseia em ondas de rádio, que têm-nos auxiliado em tarefas tão variadas como a digitalização do corpo humano usando as máquinas de ressonância magnética, a detecção de explosivos em aeroportos e o estudo de novos materiais nos laboratórios científicos.

É boa, mas não é perfeita: Essa técnica exige captar os sinais de trilhões de átomos, tornando impossível detectar pequenas variações entre moléculas individuais. É por isso que ainda estamos sem bons instrumentos para nos guiar em campos como a pesquisa de proteínas, onde pequenas diferenças na forma da molécula determinam a funcionalidade da proteína, que por sua vez determina a diferença entre a saúde e a doença. Some a isso o campo dos polímeros e das pesquisas de novos materiais para eletrônica e fica fácil ver o quanto há por se fazer.

Mas isto está prestes a mudar, graças ao trabalho de Alex Breitweiser e Mathieu Ouellet, da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, que descobriram como detectar sinais de ressonância de átomos individuais, inaugurando o campo da espectroscopia por ressonância quadrupolar nuclear.

Isolar os sinais dos núcleos de átomos individuais significa que passa a ser possível identificar diferenças minúsculas entre moléculas que hoje essencialmente nos parecem iguais.

"Ao focar em um único núcleo, podemos descobrir detalhes sobre a estrutura e a dinâmica moleculares que estavam anteriormente ocultos. Esta capacidade nos permitirá estudar os blocos de construção do mundo natural numa escala inteiramente nova," disse o professor Lee Bassett, coordenador da equipe.

Em vez de uma leitura média de trilhões de átomos, a nova técnica consegue identificar variações oriundas de um único átomo.
[Imagem: S. Alex Breitweiser et al. - 10.1021/acs.nanolett.4c04112]

Instrumentos melhores

A descoberta resultou de uma observação inesperada durante experimentos de rotina envolvendo vacâncias de nitrogênio no diamante, imperfeições nas redes cristalinas que estão sendo pesquisadas para a criação de sensores ultrassensíveis e até mesmo para a criação de qubits para computadores quânticos.

Breitweiser e Ouellet notaram padrões inesperados nos sinais que obtinham, e essas emissões periódicas se mantiveram mesmo depois que de eliminadas todas as fontes possíveis de erros e ruídos. Eles então se voltaram para os livros didáticos das décadas de 1950 e 1960, quando emergiram os principais trabalhos sobre ressonância magnética nuclear. Foi lá que eles identificaram um mecanismo físico que explicava o que estavam vendo, mas que havia sido anteriormente descartado como experimentalmente insignificante.

Na verdade, a melhor qualidade dos equipamentos científicos atuais permitiu detectar e medir efeitos que os físicos originalmente haviam previsto, mas que ficaram fora do alcance dos aparelhos disponíveis. Em outras palavras, já possuíamos a tecnologia para fazer esse sensoriamento, mas ninguém havia ainda prestado atenção nos dados que estavam obtendo. "Percebemos que não estávamos apenas vendo uma anomalia. Estávamos invadindo um novo regime da física que podemos acessar com esta tecnologia," disse Brietweiser.

"É algo como isolar uma única linha em uma planilha enorme," explicou Ouellet. "A ressonância quadrupolar nuclear tradicional produz algo como uma média - você tem uma noção dos dados como um todo, mas não sabe nada sobre os pontos de dados individuais. Com esse método, é como se tivéssemos descoberto todos os dados por trás da média, isolando o sinal de um núcleo e revelando suas propriedades únicas."

Os pesquisadores veem um vasto potencial do seu método, que poderá ser usado para enfrentar desafios científicos de primeira ordem. Ao caracterizar fenômenos que antes estavam ocultos, o novo método poderá ajudar a compreender melhor os mecanismos moleculares que moldam o nosso mundo.

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