Pirmą kartą buvo išmatuota natūrali biomolekulė, veikianti kaip kvantinė banga

Vienas iš didžiausių kvantinės mechanikos prieštaringų galvosūkių yra bangų ir dalelių dvilypumas. Tai reiškinys, kai objektai elgiasi ir kaip dalelės, ir kaip bangos.

Daugybė eksperimentų parodė, kad viena dalelė – pavyzdžiui, elektronas arba fotonas – gali trukdyti sau, kaip banga. Dvigubo plyšio eksperimentas, kurio metu dalelė vienu metu praeina per du plyšius, yra garsus demonstravimas.

Ir kadangi visi objektai iš esmės yra kvantinės prigimties, jie visi turi susietą bangos ilgį. Taigi iš esmės makroskopiniai objektai taip pat turėtų parodyti tokį bangų ir dalelių dvilypumą, atsižvelgiant į pakankamai jautrų eksperimentą.

Fizikai dar nesugalvojo būdo, kaip išmatuoti labai didelių objektų banginį pobūdį, tačiau jų ambicijos šiuo atžvilgiu nuolat auga. 1999 m. jie pademonstravo fullereno molekulių bangų ir dalelių dvilypumą. Ir kitos grupės nuo to laiko tą patį padarė su dar didesnėmis molekulėmis.

Ir tai kelia įdomų klausimą, kokio dydžio jie gali išaugti. Ar jie, pavyzdžiui, galėtų išmatuoti pačių gyvybės molekulių kvantines savybes?

Šiandien jie gauna atsakymą dėl Armino Shayeghi iš Vienos universiteto ir kelių kolegų, kurie pirmą kartą įrodė kvantinius trukdžius gramicidino, natūralaus antibiotiko, sudaryto iš 15 aminorūgščių, molekulėse. Jų darbas atveria kelią biomolekulių kvantinių savybių tyrimams ir sudaro sąlygas eksperimentams, kuriuose išnaudojama fermentų, DNR ir galbūt vieną dieną paprastų gyvybės formų, tokių kaip virusai, prigimtis.

Shayeghi ir kolegos eksperimentas iš esmės yra paprastas. Jų metodas yra sukurti itin šaltų gramicidino molekulių spindulį ir tada išmatuoti trukdžių modelį, susidarantį, kai šis spindulys įsiterpia į save. Šis trukdžių modelis yra aiškus molekulių bangos pobūdžio įrodymas.

Tai lengviau pasakyti nei padaryti. Pirmoji problema yra sukurti atskirų biomolekulių pluoštą, kuris yra ypač trapus ir lengvai suskaidomas.

Shayeghi ir bendradarbiai tai daro padengdami besisukančio rato kraštą plonu gramicidino sluoksniu. Tada komanda paleidžia trumpų lazerio impulsų seriją prie vairo, kad numuštų gramicidino molekules nuo paviršiaus. Lazerio impulsai turi būti pakankamai trumpi – vos kelių femtosekundžių ilgio – kad išspardytų biomolekules jų nepažeisdami.

Tada laisvai plaukiojančios gramicidino molekulės suplakamos argono atomų pluoštu, sklindančiu 600 metrų per sekundę greičiu. Šiame pluošte gramicidino bangos ilgis yra 350 femtometrų (1 femtometras yra 1x10-15 metrų).

Paskutinis žingsnis yra išmatuoti modelį, kurį sukuria banga, trukdanti sau pačiai.

Tai turbūt pati sunkiausia dalis. Spindulio bangos ilgis yra maždaug tūkstantoji pačių biomolekulių ilgio (matuojant pagal tai, kaip arti jos gali susijungti). Taigi komandai reikia technikos, kuri galėtų išmatuoti modelius toje skalėje.

Čia atsiranda interferometrija. Trikdžių modelio dydžiui išmatuoti komanda naudoja ypač jautrią techniką, vadinamą Talbot-Lau interferometrija.

Ir rezultatai yra įtikinami. Molekulinė darna yra delokalizuota per daugiau nei 20 kartų didesnį molekulinį dydį, sako Shayeghi ir kt. Toks biomolekulių sutepimas būtų neįmanomas, jei gramicidino molekulės būtų grynos dalelės. Tai įmanoma tik su banginiais trukdžiais.

Kiti mokslininkai išmatavo bangų ir dalelių dvilypumą didesnėms molekulėms. Tačiau jie naudojo metodus, kurie suplėšytų subtilias gyvybės molekules. Naujoji technika leis išsamiau ištirti biomolekulių kvantines savybes.

Sėkmingas kvantinės optikos įgyvendinimas naudojant šį polipeptidą kaip prototipinę biomolekulę atveria kelią kvantinei molekulių metrologijai ir ypač didelės biologiškai svarbių molekulių klasės optinei spektroskopijai, teigia mokslininkai.

Tai įdomus tyrimas, turintis didelį potencialą padėti atskirti pasakiškai sudėtingus procesus, vykstančius gyvenimo mechanizmuose.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1910.14538 : Natūralaus polipeptido medžiagos ir bangos trukdžiai

paslėpti