Nanodiamantes puros con tecnolog¨ªa cu¨¢ntica para predecir enfermedades con una precisi¨®n in¨¦dita

Uno de los mayores quebraderos de cabeza para la aplicaci¨®n de la f¨ªsica microsc¨®pica, el ruido, ha permitido el desarrollo m¨¢s prometedor de la medicina de precisi¨®n y preventiva: los sensores cu¨¢nticos. Cualquier interacci¨®n altera el estado de una part¨ªcula y esta inestabilidad es una de las mayores limitaciones de la computaci¨®n con esta ciencia, que necesita controlarla o corregirla. Sin embargo, el f¨ªsico de la Universidad de Murcia Javier Prior, especializado en biolog¨ªa, termodin¨¢mica y sensores cu¨¢nticos, ha convertido esta desventaja en una enorme oportunidad para abrir un campo in¨¦dito a partir de la identificaci¨®n de cualquier alteraci¨®n al m¨¢s m¨ªnimo nivel celular en sus primeros pasos. Nanom¨¦tricos diamantes puros sirven para albergar part¨ªculas que reaccionan ante cualquier anomal¨ªa en el desarrollo de las m¨ªnimas unidades biol¨®gicas y permiten identificar la disfunci¨®n en la etapa inicial o en un microfluido del cuerpo. Es una microsc¨®pica baliza que lanza se?ales cuando detecta el primer signo fisicoqu¨ªmico de una incipiente tormenta celular.

Prior encabeza un grupo a cuyos colaboradores conoci¨® tras su paso por las universidades de Oxford, Imperial College y Ulm. Son, principalmente, Fedor Jelezko, pionero de los diamantes NV (nitr¨®geno vacante) y Alex Retzker, experto en sensores. Esta relaci¨®n y una patente sobre microflu¨ªdica basada en sensores cu¨¢nticos (que permite leer ¨®pticamente respuestas en m¨ªnimas sustancias l¨ªquidas o gaseosas) abrieron la nueva puerta que ha derivado en la creaci¨®n de Qlab, una iniciativa que a¨²na investigaci¨®n con empresa y que est¨¢ trabajando un posible apoyo del Ministerio para la Transformaci¨®n Digital. Los desarrollos cuentan con financiaci¨®n de la Agencia Estatal de Investigaci¨®n.

Es complejo, pero Prior hace un esfuerzo por simplificar a?os de investigaci¨®n: ¡°Tenemos un dispositivo que es muy sensible a una determinada acci¨®n exterior. Generamos un sistema cu¨¢ntico. Cojo un electr¨®n y, mediante pulsos ultrarr¨¢pidos, lo pongo en una superposici¨®n donde est¨¢ girando hacia un lado, lo que se conoce como spin [rotaci¨®n en ingl¨¦s], aunque no es un giro realmente, y al contrario a la vez. Como cualquier estado cu¨¢ntico es muy sensible a la acci¨®n de cualquier campo el¨¦ctrico o magn¨¦tico u otro par¨¢metro f¨ªsico, lo usamos como una br¨²jula. Si a esta le acercas un im¨¢n, la aguja se mueve y se alinea con el campo magn¨¦tico. Mi sensor detecta los campos magn¨¦ticos m¨¢s peque?os y funciona a temperatura ambiente¡±.

El veh¨ªculo de este sensor capaz de detectar la m¨¢s m¨ªnima se?al es un diamante con la part¨ªcula at¨®mica a nueve nan¨®metros de la superficie ¡ªun nan¨®metro es la milmillon¨¦sima parte de un metro (10??)¡ª. ¡°Los diamantes los hacemos sint¨¦ticos porque los naturales tienen muchas impurezas [que pueden afectar al sistema cu¨¢ntico] y los queremos muy puros, ya que solo nos interesa que tenga ¨¢tomos de carbono 12. Lo construimos mediante deposici¨®n qu¨ªmica de vapor: se genera un plasma que se va depositando capa a capa¡±. Para insertar la part¨ªcula cu¨¢ntica, esta se acelera y se precipita contra el diamante. ¡°Dependiendo de la velocidad y de c¨®mo la lanzas, se van a meter, digamos, a una cierta distancia¡±, precisa en un esfuerzo por resumir un proceso complicado.

El siguiente paso es llevar el nanodiamante, que es absolutamente biocompatible, a una c¨¦lula en una placa de Petri mediante unas pinzas ¨®pticas, dos l¨¢seres que atrapan el dispositivo: ¡°De esta forma, se puede introducir en una parte de la c¨¦lula y detectar si se est¨¢ generando una prote¨ªna relacionada con la inflamaci¨®n. Es como introducir una c¨¢mara que monitoriza en todo momento las mol¨¦culas¡±. Y pone un ejemplo: ¡°Los radicales libres no tienen el mismo n¨²mero de electrones que de protones y son desencadenantes del envejecimiento o de muchas enfermedades, como los procesos degenerativos, porque roban part¨ªculas a las vecinas¡±.

Su aplicaci¨®n en un organismo podr¨ªa ser mediante implantaci¨®n, inyecci¨®n o simplemente, en el caso del cerebro, con un casco que lo cubra y mida los campos el¨¦ctricos de las neuronas.

Qlab, la empresa surgida de estas investigaciones, desarrolla otro concepto de sensor cu¨¢ntico conocido como Lab-in-chip, minidispositivos con funciones de laboratorio capaz de analizar con los mismos principios cu¨¢nticos una muestra de microfuido corporal y que podr¨ªa llegar a ser dom¨¦stico. En este caso, al diamante se le practicar¨ªa una especie de canal de 100 nan¨®metros para canalizar las micromuestras y podr¨ªa arrojar un preciso resultado similar a un an¨¢lisis de sangre o una biopsia.

Con la financiaci¨®n necesaria, sobre la que ya hay conversaciones de inversi¨®n p¨²blica y privada, Prior est¨¢ convencido de poder desarrollar prototipos semicomerciales de los sensores cu¨¢nticos en cinco a?os. Adem¨¢s de estas balizas de medicina de precisi¨®n y preventiva, la misma tecnolog¨ªa cu¨¢ntica se puede aplicar para crear un resonador magn¨¦tico nuclear que emitir¨ªa una se?al espec¨ªfica al coincidir la frecuencia con la de aquello que se analiza.

El campo cu¨¢ntico es amplio y Prior cree que Espa?a, en colaboraci¨®n con otras instituciones, tiene la posibilidad de desarrollar un ¨¢mbito estrat¨¦gico que ya es clave y por el que est¨¢n apostando pa¨ªses del entorno. Los dispositivos y la tecnolog¨ªa ya existen y est¨¢n comprobadas, falta el pr¨®ximo paso: la implicaci¨®n institucional y privada en una tecnolog¨ªa cuyas previsiones de crecimiento superan los dos d¨ªgitos.

Otros avances

En esta carrera por el control y uso de los estados cu¨¢nticos, en la que Espa?a puede pugnar por un buen puesto de salida, hay muchos laboratorios. Un grupo de investigadores liderados por el profesor Nobuhiro Yanai, de la Universidad de Kyushu, ha logrado la coherencia cu¨¢ntica (el mantenimiento de un estado) durante m¨¢s de 100 nanosegundos a temperatura ambiente, seg¨²n un estudio publicado en Science Advances. El hallazgo ha sido posible mediante un crom¨®foro, una mol¨¦cula que absorbe la luz y emite color, en un metal-org¨¢nico (MOF).

¡°El MOF desarrollado es un sistema ¨²nico que puede acumular crom¨®foros densamente. Adem¨¢s, los nanoporos dentro del cristal permiten que el crom¨®foro gire, pero en un ¨¢ngulo muy restringido¡±, explica Yanai. Este descubrimiento es relevante tambi¨¦n para las tecnolog¨ªas de sensores. ¡°Esto puede abrir las puertas a la computaci¨®n cu¨¢ntica molecular a temperatura ambiente, as¨ª como a la detecci¨®n cu¨¢ntica de varios compuestos objetivo¡±, asegura.

En direcci¨®n opuesta ha avanzado Kaden Hazzard, profesor de f¨ªsica y astronom¨ªa de la Universidad de Rice y coautor de un estudio publicado in Nature Physics. El experimento ha sido capaz de prolongar el comportamiento cu¨¢ntico casi 30 veces (1,5 segundos) mediante el uso de temperaturas ultrafr¨ªas y longitudes de onda l¨¢ser para generar una ¡°trampa¡± que retrasa el inicio de la decoherencia.

¡°Si quieres hacer nuevos materiales, nuevos sensores u otras tecnolog¨ªas cu¨¢nticas, necesitas entender lo que est¨¢ sucediendo a nivel cu¨¢ntico, y esta investigaci¨®n es un paso hacia el logro de nuevos conocimientos¡±, explica.

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