Как измерить силу одной молекулы

Оптический пинцет в виде песочных часов, создающий силу, влекущую наночастицу германия по микротрубочке.

Одно из решений дальнейшей миниатюризации видится в использовании квантовых точек, генерирующих одиночные фотоны «по требованию» (on demand). Такие точки, состоящие всего лишь из десятков тысяч атомов, «погружены» в матрикс из другого полупроводника. Фотоны в отличие от электронов не взаимодействуют друг с другом и материалом, что исключает сопротивление и образование тепла. Малые размеры квантовых точек и их однородность способствуют стабильности длины волны фотонов, которые благодаря волноводам идут по оптическим цепям в нужном направлении.

В Университете Южной Калифорнии (США) предложили в качестве материала квантовых точек галлий и индий. Путем самосборки они образуют наночастицы арсенида этих металлов (GaAs, InAs). Химическая чистота наногенераторов одиночных фотонов и однородность размеров, не превышающих 5–8 нм, достигла 99,5%. Это обеспечило одинаковые длины волн генерируемых фотонов (их разброс не превышал 1,8 нм). В качестве показателя качества авторы отмечают, что эффективность их точек в 20–40 раз выше существующих сегодня.

Иной подход к созданию сверхбыстрой оптоэлектроники разработан в Университете Дьюка в г. Дарем (США). Для усиления и ускорения электронов там разработали чип площадью около 1 кв. см, на поверхности которого наноинженеры поместили в правильном порядке (через 200 нм друг от друга) серебряные нанокубики со стороной грани 60 нм. Тем самым был создан так называемый метаматериал с уникальными квантовыми свойствами. В качестве подложки для кубиков использовано стекло (SiO2), на которое нанесены слой серебра толщиной 75 нм и затем четыре полимерных слоя с красителем.

Серебряные нанокубики, генерирующие плазмоны. Иллюстрации Physorg

В качестве первой из мишеней может быть выбран моторный белок кинезин. Без него невозможны деление клетки и доставка нервных сигналов к синапсам (точкам взаимодействия нервных клеток). Кинезин имеет хвост, с помощью которого он «тащит» на буксире пузырьки-везикулы со специфическим грузом, например нейромедиатором (адреналином, к примеру).

В публикации в журнале Science для измерения силы, порождаемой кинезином, предложено использовать наночастицы германия диаметром 60 нм, одетые в двойной слой жироподобных липидов, имитирующий двуслойные клеточные мембраны. Согласно международной системе физических величин СИ, единица силы «ньютон» определяется как та, что требуется для придания телу массой 1 кг ускорения в 1 м/с2. Кинезиновая сила измеряется пиконьютонами, или триллионными долями этой единицы, что в обычной жизни невозможно себе представить. Тем не менее именно такими величинами измеряются молекулярные процессы в клетках, где шаг перемещение германиевой частицы составил 2,4 нм.

Точное знание показателей кинетики очень важно, например, с точки зрения разработки новых лекарств, не вызывающих привыкания и зависимости, а также для борьбы с нейродегенеративными расстройствами. Следует, однако, помнить, что для оценки эффективности новых средств требуется надежная система количественной оценки их действия. Вполне возможно, что первая из них успешно создана.