Βιομόρια συμπεριφέρονται σαν κύματα
Ενώσεις που βρίσκονται στα κύτταρα δείχνουν κβαντική συμπεριφορά

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 5 Σεπτεμβρίου 2003

Εικόνα αριστερά: Το πείραμα της διπλής σχισμής του Young, εφαρμοσμένο για τη συμβολή μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Ένα σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν κύμα και μπορεί να περάσει και μέσω των δύο οπών σε ένα φράγμα παράγοντας φαινόμενα συμβολής. Τώρα οι φυσικοί παρατήρησαν βιομόρια να συμπεριφέρονται σαν κύματα σε μια εκπληκτική επίδειξη των αποτελεσμάτων της κβαντομηχανικής.

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία παρατήρησαν το δυϊσμό κύματος-σωματιδίου σε ένα βιομόριο για πρώτη φορά. Η ομάδα αυτή αναφέρει επίσης την παρατήρηση της κυματοειδούς συμπεριφοράς σε ένα  ακόμα μεγαλύτερο μόριο - ένα φθοριωμένο buckyball (TPP). Αυτό είναι δύο φορές μεγαλύτερο από το προηγουμένως μεγαλύτερο μόριο που είναι γνωστό ότι δημιουργεί κβαντική  σαν κύμα συμπεριφορά (L Hackermüller et al. 2003 Phys. Rev. Lett. 91 090408).

Η κλασική απόδειξη της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίων στα κβαντικά σωματίδια είναι το φαινόμενο της κυματικής συμβολής, που παράγεται όταν περνά μια ακτίνα μικρών σωματιδίων μέσω μιας διπλής σχισμής. Οι ερευνητές έχουν δει το δυϊσμό κύματος και σωματιδίων στα ηλεκτρόνια, τα άτομα και μικρά μόρια αλλά δεν έχει φανεί ποτέ στο μακροσκοπικό κόσμο. Κι αυτό συμβαίνει επειδή το μήκος κύματος λ, το μήκος de Broglie, είναι τόσο μικρό για τα μεγάλα αντικείμενα που δεν μπορούμε να ανιχνεύσουμε τη συμβολή τους σε ένα πρακτικό πείραμα. Αλλά το νέο πείραμα καταδεικνύει ότι ο κβαντικός κόσμος έχει ευρύτερα όρια από ότι είχαμε υποθέσει.

Ένα σωματίδιο που συμπεριφέρεται όπως ένα κύμα μπορεί, παραδείγματος χάριν, να φαίνεται ότι περνά μέσω δύο σχισμών σε ένα φράγμα ταυτόχρονα. Όταν αυτό συμβαίνει, τα δύο κύματα, που προκύπτουν από τις σχισμές, μπορούν να συμβάλουν το ένα με το άλλο.

Δεν είναι σαφές όμως πως τα βιολογικά μόρια ενεργούν σαν κβαντικά κύματα όταν βρίσκονται μέσα στα ζωντανά κύτταρα. Εντούτοις, ο φυσικός Roger Penrose του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης στην Βρετανία και ο ψυχολόγος Stuart Hameroff του Πανεπιστημίου της Αριζόνα στο Tucson έχουν προτείνει ότι η συνείδηση μπορεί να προκύπτει από κβαντομηχανικά φαινόμενα, σαν να είναι κύματα, πρωτεϊνικών νηματίων ή μικροσωληνίδια στα νευρικά κύτταρα.

Το 1999, η ομάδα του Anton Zeilinger στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης παρατήρησε κυματικές ιδιότητες σε μόρια άνθρακα-60 - τα περίφημα φουλερένια buckyballs - και στα μεγαλύτερα τους αντίστοιχα, τα μόρια του άνθρακα- 70. Μέχρι τώρα, αυτά ήταν τα μεγαλύτερα αντικείμενα που έχουν αναφερθεί για κυματική συμπεριφορά de Broglie αλλά με μια διάμετρο περίπου 1 nm ήταν ακόμα 6 τάξεις μεγέθους μικρότερα από τα πραγματικά μακροσκοπικά αντικείμενα.

Η ομάδα της Βιέννης, που τώρα καθοδηγείται από τους Anton Zeilinger και Markus Arndt, εκτέλεσε ένα νέο πείραμα με μόρια tetraphenylporphyrin (TPP). Αυτά τα βιομόρια βρίσκονται στη χλωροφύλλη και την αιμογλοβίνη. Έχουν μια διάμετρο περίπου 2 nm (δεξιό σχήμα), που είναι δύο φορές μεγαλύτερη από ένα μόριο του άνθρακα-60.

Στο πείραμα, τα μόρια porphyrin πέρασαν μέσω ενός νέου τύπου συμβολομέτρου που περιέχει τρία σετ κιγκλιδωμάτων διάθλασης, που το κάθε ένα χωριζόταν από το άλλο περίπου 38 cm. Το πρώτο κιγκλίδωμα παράγει μια συμφασική ακτίνα μορίων. Το δεύτερο παράγει σχήμα συμβολής, και το τρίτο απεικονίζει αυτό το σχήμα υπολογίζοντας τον αριθμό των διαβιβασθέντων μορίων. Οι σχισμές στα κιγκλιδώματα διάθλασης ήταν πλάτους περίπου 500 nm και το ίδιο το κιγκλίδωμα είχε μια περίοδο περίπου 1000 nm.

Οι ερευνητές παρατήρησαν ένα υψηλής ποιότητας κροσσό συμβολής χαρακτηριστικό της κβαντικής συμπεριφοράς. "Αναμέναμε αυτά τα μόρια να συνδεθούν εύκολα με το περιβάλλον τους - κάτι που θα είχε καταστρέψει τελικά τη συμβολή - αλλά το πείραμά μας αποδεικνύει το αντίθετο," είπε ο Arndt.

Η ομάδα επανέλαβε έπειτα το πείραμα με μια ένωση φουλερενίου που περιέχει 60 άτομα άνθρακα και 48 άτομα φθορίου (αριστερό σχήμα). "Αν και τα πειράματα ήταν πιο δύσκολα και απαιτητικά για αυτό το αντικείμενο - λόγω του θορύβου υποβάθρου - παρατηρήσαμε πάλι τα σχήματα συμβολής," λέει ο Arndt. Αυτό το μόριο είναι δύο φορές μεγαλύτερο από το φουλερένιο άνθρακα-60 και με 108 άτομα είναι το πιο σύνθετο αντικείμενο που εμφανίζει την κυματική ιδιότητα.

Η ομάδα αναφέρει ότι ο έλεγχος των αποτελεσμάτων τους ξεπερνάει ακόμη και τις κλίμακες μήκους στις οποίες η κβαντική συμπεριφορά καταρρέει και εμφανίζεται στο προσκήνιο η κλασσική φυσική. Ελπίζουν τώρα να μελετήσουν σχήματα συμβολής μορίων με μεγαλύτερα αντικείμενα όπως είναι οι πρωτεΐνες ή μικρούς νανοκρυστάλλους με τροποποίηση των συσκευών τους. Οι ερευνητές επίσης σκέπτονται ότι μακροπρόθεσμα τέτοια μοριακά νανοσχήματα συμβολής μπορεί ακόμα και να βρουν χρήση ως δομικές ομάδες στις οπτικοηλεκτρονικές νανοσυσκευές ή στις επιφάνειες νανοδομών.