مختبر Kirstine Berg-Sørensen. رصيد الصورة: Jesper Scheel
الماس المعيب كأجهزة استشعار الكم
ألكساندر هاك هو أحد باحثي DTU الذين يبحثون عن استخدام الماس كمستشعرات كمومية لأكثر من عشر سنوات. هذا هو الماس الاصطناعي مع عيب داخلي: مركز NV. يتصرف مركز NV مثل دوران ميكانيكي كمي يمكنه تسجيل مجالات مغناطيسية ضعيفة ومعلمات فيزيائية أخرى.
استخدم ألكسندر هاك الماس الكمومي لقياس المواد البيولوجية ، من بين تطبيقات أخرى. في عام 2020 ، أظهر – جنبًا إلى جنب مع فريق بحث متعدد التخصصات – أن قياس النشاط الكهربائي في العضلات كان ممكنًا باستخدام مستشعر الكم الماسي NV.
« ميزة استخدام الماس لقياس المواد البيولوجية هي أننا لسنا بحاجة إلى توصيل أقطاب كهربائية بالمادة لقياس الإشارة. بدلاً من ذلك ، يمكننا وضع ماسة ، في هذه الحالة على شكل صفيحة مسطحة صغيرة بقياس 1-2 مم × 1-2 مم ، بالقرب من المادة البيولوجية دون « إتلافها » ثم قياس الإشارات باستخدام المجالات المغناطيسية. لقد نجحنا مؤخرًا في إجراء قياسات مماثلة لنشاط الدماغ من أنسجة الفئران ، وهو ما يعد معلمًا رئيسيًا جديدًا ، « كما يقول ألكسندر هوك ، الأستاذ المشارك في DTU Physics.
في رأيه ، ستلعب أجهزة الاستشعار الكمومية دورًا كبيرًا في العمل لاكتساب المزيد من المعرفة حول الدماغ والشبكات العصبية ، مما يساهم في النهاية في تحسين التشخيص وعلاج اضطرابات الدماغ.
معرفة الجزيئات والتمثيل الضوئي
بدأ ألكساندر هاك مؤخرًا أيضًا في استخدام مستشعرات الماس NV على مقاييس طول أصغر بكثير من الخلايا والأنسجة من العضلات والدماغ. يريد أن يحاول استخدام المستشعر الكمومي لاكتساب معرفة أكبر عن الجزيئات. ينصب التركيز العام على العمليات الإلكترونية على المستوى الجزيئي ، مثل التمثيل الضوئي ، والتي يريد أن يتعلم المزيد عنها من خلال النظر إلى جزيء واحد أو عدة جزيئات في وقت واحد.
« إذا استطعنا فهم كيفية عمل التمثيل الضوئي بالتفصيل ، فقد يسمح لنا – على المدى الطويل – بنسخ كيفية قيام النباتات بتجميع الطاقة من الشمس وتحويلها إلى مواد كيميائية قابلة للتخزين والنقل. يعتمد الكثير من معرفتنا الحالية على تحليلات مجموعات كبيرة من الجزيئات ، وهذا يمكن أن يحجب بعض التفاصيل. أرغب في اكتساب المعرفة عنها من خلال النظر إلى الجزيئات بشكل فردي « ، كما يقول ألكسندر هاك.
زيادة المعرفة بالخلايا البشرية
تستخدم Kirstine Berg-Sørensen أيضًا تقنية الكم لأجهزة الاستشعار البيولوجية ، ولكن مع الماس الأصغر. ينصب تركيزها على اكتساب معرفة أكبر بخلايانا.
اكتشف باحثو بيولوجيا الخلية في السنوات الأخيرة أن الخلايا ليست غير متجانسة كما كنا نظن. تتطور الخلايا الفردية بشكل مختلف ، على الرغم من أنها تأتي من نفس نقطة البداية. هذا ينطبق ، على سبيل المثال ، على الخلايا السرطانية ، ولكن أيضًا على الخلايا المناعية ، وهو مجال تركيزي. تقول Kirstine Berg-Sørensen ، الأستاذة المشاركة في DTU Health Tech ، إنه من المهم اكتساب المزيد من المعرفة المتعمقة حول الخلايا المسؤولة عن تطور المرض والسيطرة عليه ، على التوالي.
عملت Kirstine Berg-Sørensen مع المصائد البصرية في المختبر طوال معظم حياتها المهنية. في هذا العمل ، يتم استخدام شعاع ليزر شديد التركيز من ضوء الأشعة تحت الحمراء لفحص المواد البيولوجية. وبهذه الطريقة ، لا يسخن الضوء المادة ، وبالتالي لا يحدث تغييرات فيما يتعلق بالتحليلات.
« منذ حوالي ست سنوات ، من خلال عمل ألكسندر هاك ، أصبحت على دراية بالألماس النانوي ، الذي يجعل من الممكن تسجيل المجالات المغناطيسية الضعيفة ، على سبيل المثال في الأنسجة البشرية. لقد أعطاني هذا فكرة دراسة الخلايا من خلال الجمع بين أساليبنا ، ونحن الآن نتعاون في هذا الأمر ، « كما تقول Kirstine Berg-Sørensen.
الجمع بين طريقتين
تمتص الخلايا أولاً الألماس النانوي الصغير الذي يبلغ قطره حوالي 120 نانومتر – 500 مرة أصغر من سماكة شعرة الإنسان. يستخدم الباحثون ضوء الليزر لقراءة ما يقيسه الماس.
على المدى الطويل ، الهدف هو تطوير أداة قياس متقدمة للمواد البيولوجية على أساس الطريقتين. تتمثل ميزة كل من الماس والمصيدة الضوئية في أنهما متوافقان حيوياً ، مما يعني أنهما لا يتفاعلان مع المادة البيولوجية وبالتالي لا « يزعجان » أي شيء فيما يتعلق بالقياس. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تعمل حساسيتها المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة ، وبالتالي لا تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية أقل من 150 درجة تحت الصفر ، على عكس الأنواع الأخرى من أجهزة الاستشعار الكمومية.
لقد أظهرنا بالفعل أنه يمكننا جعل الخلايا تمتص الألماس النانوي. نحتاج الآن إلى تحسين طريقتنا للحصول على ملاقط بصرية ، شعاع ليزر ، لدفع الماس في الخلية ، حتى نتمكن من قياس عدة أجزاء من الخلية. تقول Kirstine Berg-Sørensen: « نحن نعمل حاليًا على هذا ».
تشتمل E-MAT على مجموعة من الأدوات ، والتي ، في ظل ظروف خاضعة للرقابة ، تسمح بتطوير وتوليف مواد جديدة. رصيد الصورة: DTU
تطوير مجسات كمومية جديدة
على الرغم من أن أجهزة الاستشعار الكمومية قادرة بالفعل على إجراء قياسات أكثر دقة من المستشعرات العادية ، إلا أنه يجري العمل على تحسينها بشكل أكبر ، على سبيل المثال في التعاون بين الباحثين الذين يعملون على تطوير مواد جديدة ، وحيث يساهم Alexander Huck بخبرته في الماس NV والكم. مجسات.
« هدفنا هو الفحص المنهجي لما إذا كان بإمكاننا العثور على مستشعر جديد صغير ومتوافق حيويًا وقادرًا على العمل في درجة حرارة الغرفة وقادرًا على قياس المجالات المغناطيسية في دماغ الكائنات الحية. سيمكننا ذلك من توسيع معرفتنا بشكل كبير بالعمليات في الدماغ. نحن نخطط لتصنيع أجهزة استشعار جديدة باستخدام مواد ثنائية الأبعاد جديدة مخصصة تمكّننا من التحكم في العيوب على المستوى الذري ، « توضح نيني برايدز ، الأستاذة في DTU Energy ، وهي عالمة مواد ومسؤولة عن العمل.
الهدف من المشروع المحدد هو تطوير مستشعر كم جديد تمامًا يعتمد على مواد ثنائية الأبعاد تكون أكثر حساسية من الماس.
« لإنشاء مستشعرات صغيرة أفضل وأقل تكلفة وأكثر عملية ، سنقوم بفحص ما إذا كان من الممكن استخدام أنواع مختلفة تمامًا من أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحساسة القائمة على مواد ثنائية الأبعاد. مع المستشعر الجديد ، يتمثل هدفنا المستقبلي في أن نكون قادرين على تقديم اكتشاف أفضل في مرحلة مبكرة ، قبل أن تتاح لأمراض الدماغ الوقت لتتطور بشكل أكبر ، « كما تقول نيني برايدز.
سيستفيد تطوير المستشعر الجديد أيضًا من منشأة أبحاث البنية التحتية الجديدة ، في DTU ، E-MAT. هذا هو الأول من نوعه في شمال أوروبا ، لتخليق جيل جديد من المواد الكمومية وهو موجود فقط في أماكن قليلة حول العالم. يتكون E-MAT من صندوق قفازات مع بيئة خاضعة للرقابة تشمل مجموعة من المعدات الرئيسية بما في ذلك طرق الترسيب الحديثة التي تتيح التحكم في الأسطح والواجهات على النطاق الذري. ستجعل هذه البنية التحتية من الممكن ليس فقط التنبؤ بالمواد الجديدة نظريًا ، ولكن أيضًا لصنع هذه المواد واختبارها بالفعل. وهذا يجعل الباحثين واثقين من أنهم سينجحون في تطوير مستشعر كمي جديد في السنوات القادمة.
اختبار مجسات الكم
لقد وصلت بعض أجهزة الاستشعار الكمومية بالفعل إلى حد بعيد في تطويرها بحيث يتم اختبار استخدامها في الحياة الواقعية. يتضمن ذلك مقياس التسارع الكمي ، والذي يمكن أن يحل محل نظام GPS للملاحة في المستقبل.
في الإصدار الاختباري الحالي ، يعد المستشعر الكمومي صندوقًا كبيرًا يشغل مساحة كبيرة عند تركيبه في طائرة وإرساله في رحلة فوق جرينلاند للتنقل عبر مجال جاذبية الأرض. سيكون أحد الأهداف هو تقليل حجم المستشعر الكمومي إلى حجم الرقاقة بحيث يمكن استخدامه في المستقبل في أي مكان ، في الطائرات والقوارب والمباني وتحت الأرض وتحت الماء. سيضمن ذلك الاستقلال عن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والذي يمكن تشويشه أو انتحاله ، والذي يشكل تهديدًا في الوضع الجيوسياسي الحالي.
مصدر: DTU
Publié à l’origine dans The European Times.
