Як квантові ефекти допомагають шукати життя у космосі
Міжнародна група науковців під керівництвом фахівців з Осакського університету створила компактний сенсор для фіксації біологічних слідів за межами Землі. Дослідження опублікували в науковому журналі Nature Communications. Головна перевага нової розробки полягає в її простоті та компактності порівняно з масивними приладами, які науковці використовували раніше.
В основі винаходу лежить аналіз амінокислот, які є будівельними блоками білків. Ці сполуки мають дві дзеркальні форми – L-форму та D-форму. У науковому світі цю просторову орієнтацію називають хіральністю. Баланс між цими двома формами вказує на те, як саме виникли молекули: завдяки живим організмам чи внаслідок звичайних неорганічних хімічних процесів.
Традиційно для такого дослідження вчені використовують рідинну хромато-мас-спектрометрію. Проте подібне обладнання занадто громіздке, вимагає великих зразків і багатоступеневої хімічної підготовки, що створює значні труднощі для встановлення на місячні чи марсіанські апарати. Новий чип працює зовсім інакше: він використовує два крихітні золоті нанодроти, розділені мінімальною відстанню.
Між двома нанодротами виникає електричний тунельний струм – квантове явище, під час якого електрони буквально просочуються крізь проміжок. Коли розчин з амінокислотами потрапляє на мікрочип, електричний струм змінює свої характеристики. Ці коливання зчитує та аналізує алгоритм машинного навчання, який миттєво визначає тип молекули.
Поєднавши нашу методику тунелювання через нанозазор зі штучним інтелектом, ми змогли розрізнити L- та D-форми амінокислот із точністю понад 80 відсотків,
– прокоментував біоінженер з Осакського університету Такахіто Оширо.
Це відкриття стало першим випадком в історії науки, коли дослідники змогли розпізнати хіральність амінокислот на рівні окремої молекули.
Свій пристрій винахідники випробували на реальних матеріалах високої складності.
Ми проаналізували природні зразки з метеорита Мерчисон в Австралії та зразки ґрунту з пустелі Атакама в Чилі. Наш метод виявився порівнянним із традиційними підходами, оскільки обидва змогли вловити головні особливості амінокислотного складу,
– розповів нанотехнолог з Осакського університету Масатеру Танігучі.
Перспективи для міжпланетних місій
Хоча сенсор не здатен шукати позаземне життя на великій відстані й потребує безпосереднього забору зразків на місці, його скромні габарити відкривають чудові перспективи для космічних досліджень. Інженери зможуть монтувати такі чипи на безпілотні марсоходи та міжпланетні зонди, яким більше не знадобляться важкі лабораторії на борту.
Тепер авторам розробки належить навчити алгоритми машинного навчання розпізнавати невідомі молекули, з якими сенсор ще не стикався під час попередніх лабораторних тестів. Крім позаземних експедицій, така компактна наносистема стане у пригоді й під час швидких хімічних досліджень на Землі.