Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Nobuhiro Yanai από το University of Tokyo και τον Michael R. Wasielewski από το Northwestern University δημιούργησε πολωμένα ζεύγη ριζών, δηλαδή μόρια με ασύζευκτα ηλεκτρόνια των οποίων τα σπιν είναι ευθυγραμμισμένα, μέσα σε μεταλλο-οργανικά πλαίσια (MOFs), πορώδη υλικά που αποτελούνται από μεταλλικά ιόντα συνδεδεμένα με οργανικά μόρια.
Λόγω των κβαντικών ιδιοτήτων των πολωμένων ζευγών ριζών, το επίτευγμα αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για μελλοντικές τεχνολογίες κβαντικής χημικής ανίχνευσης και να βελτιώσει την ευαισθησία υπαρχουσών μεθόδων, όπως η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI). Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
Προς μια κβαντική μύτη
Στον πυρήνα της, η ανίχνευση αφορά την καταγραφή αλλαγών ως απόκριση σε συγκεκριμένα ερεθίσματα. Για παράδειγμα, στην όσφρηση, νευρικά κύτταρα εξειδικευμένα για ορισμένες χημικές ουσίες ενεργοποιούνται όταν οι ουσίες αυτές υπάρχουν στον αέρα που εισπνέουμε. Τα ενεργοποιημένα κύτταρα στέλνουν σήμα στον εγκέφαλο, που το μεταφράζει σε «φρουτώδες» ή «ανθώδες». Καθώς η επιστημονική κατανόηση βαθαίνει, απαιτεί και επιτρέπει μεγαλύτερη ευαισθησία, ανάλυση και ποικιλία στην ανίχνευση, θεωρητικά έως το κβαντικό επίπεδο.
«Ενδιαφερόμαστε να φτιάξουμε, ας πούμε, μια κβαντική μύτη», λέει ο Yanai, ο κύριος ερευνητής. «Παρότι η κβαντική ανίχνευση είναι πολύ δημοφιλές θέμα τις τελευταίες δεκαετίες, η αξιοποίησή της για χημική ανίχνευση έχει μείνει πίσω. Στόχος μας είναι να κάνουμε την κβαντική χημική ανίχνευση πραγματικότητα».
Δημιουργία διατεταγμένων συστοιχιών ριζών
Τα συστατικά μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι σχετικά γνωστά. Τα μεταλλο-οργανικά πλαίσια είναι πολύ πορώδη, γι’ αυτό είναι χρήσιμα ως περιέκτες. Τα ζεύγη ριζών έχουν κβαντικές ιδιότητες που τα καθιστούν πιθανούς αισθητήρες.
«Μέχρι σήμερα, η έρευνα για τα ζεύγη ριζών περιοριζόταν σε απομονωμένα μόρια στη στερεά κατάσταση», εξηγεί ο Wasielewski. «Γι’ αυτό ξεκινήσαμε να αναπτύξουμε μια μέθοδο για να φτιάξουμε μια διατεταγμένη συστοιχία ζευγών ριζών σε κρυσταλλικό στερεό».
Αρχικά, οι ερευνητές σχεδίασαν και συνέθεσαν μόρια που μπορούσαν να μεταφέρουν ηλεκτρόνια όταν διεγείρονταν από φως. Στη συνέχεια αξιολόγησαν κάθε παραλλαγή με υπέρταχη φασματοσκοπία, φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού και υπολογισμούς κβαντικής χημικής θεωρίας. Ένα τόσο σύνθετο έργο απαιτούσε την εμπειρογνωμοσύνη πολλών ομάδων, πέρα από σύνορα.
«Χάρη σε αυτή τη συνεργασία», λέει ο Yanai, «δημιουργήσαμε με επιτυχία ένα ζεύγος ριζών και δείξαμε την απόκριση των ιδιοτήτων του σπιν τους σε ορισμένες χημικές ουσίες. Ως επόμενο βήμα, ελπίζουμε να διερευνήσουμε ποικίλα συστήματα σπιν σε μεταλλο-οργανικά πλαίσια και την απόκρισή τους σε χημικά ερεθίσματα».
