Вибрирующие углеродные нанотрубки сделают возможным магнитно-резонансную томографию атомарного масштаба

В организме один маленький объект может стать источником больших неприятностей.

Впрочем, большими им быть необязательно.

Хотя большие опухоли начинаются с одной клетки, сгустки крови могут в мозге быть незначительными, миниатюрная группа нейронов может вызвать проблемы с распространением сигналов, а крохотные кисты могут объединиться и причинить крупные неприятности.

В настоящее время человечество обладает весьма мощными инструментами для неинвазивного сканирования организма, которые несколько десятилетий назад показались бы вымыслом фантастов. И всё же, их способность видеть пока не беспредельна.

Вершина медицинского сканирования – магнитно-резонансная томография, сочетающая в себе неплохое разрешение, способность определения различных видов тканей и малое количество излучаемой радиации. Естественно, «неплохое» разрешение не является пределом мечтаний медиков, измеряясь по-прежнему в миллиметрах. Исследователи из Института Фотонных Наук взялись преодолеть препятствия на пути к более высокому разрешению МРТ-сканирования.



Их решение, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, использует силы грядущего «Мессии» почти множества высокотехнологичных секторов промышленности – углеродные нанотрубки. На этот раз будет использоваться их способность вибрировать под воздействиями столь малыми, что их можно считать едва ли существующими.

Говоря вкратце, МРТ помещает тело в сильное магнитное поле, которое заставляет протоны упорядочивать свой спин. Когда поле пропадает, молекулы возвращаются к своим низкоэнергетическим орбитам, при этом высвобождая некоторое количество энергии. Эта энергия собирается, пропускается через алгоритм обработки изображения и перед нами предстаёт вид собственных внутренностей.



Однако, высвобождаемая энергия пропорциональна количеству, необходимому для удержания молекул на орбитах, разделённому на число их атомов. Для разрешения такое уравнения представляет проблему, поскольку фиксироваться может только энергия, излучаемая одновременно множеством атомов. Одна молекула H2O не отдает почти ничего, но миллиарды на пространстве в несколько миллиметров выделяют энергию, которые могут зафиксировать приборы, например, инфракрасный приёмник. Сверхчувствительные углеродные нанотрубки могут вибрировать как «струна гитары» под действием весьма малых сил.

Чтобы оценить масштабы энергий, исследователь Адриан Бачтолд (Adrian Bachtold) использует для сравнения гравитационные силы. Заставить вибрировать углеродные нанотрубки способна сила, эквивалентная гравитационному влиянию, которое тело человека оказывает на другого человека, находящегося на расстоянии 4800 км. Столь точные измерения требуют использования электроники с низким уровнем шума и, как в случае других форм высокоуровневой спектроскопии, температур близких к абсолютному нулю, около 1,5 К.

Нанотрубки обладают толщиной всего в один атом, так что их «колебания» представляют собой Броуновское движение, температурные вибрации, не похожие на движение в привычном понимании.

В идеальном случае такая техника позволила бы получить разрешение атомного уровня, но на практике это маловероятно. Реальное отображение такой подробной информации потребует огромных компьютерных мощностей- к тому же, полезной информации среди общего её количества не так и много. К тому же весьма сложно нацелиться именно на нужный объект, оперируя атомными масштабами. Среднего разрешения между нынешним и гипотетически возможным будет вполне достаточно для решения практических задач. Поиск крохотных кровеносных сосудов, отдельных клеток, или даже отдельных органических элементов внутри одной клетки – все они состоят из миллионов и миллиардов, а не одного, атомов.

Данная технология не заместит полностью привычную магнитно-резонансную томографию. Имеющаяся МРТ работает достаточно хорошо для решения многих диагностических задач. Новый же подход задаст высокий уровень чувствительности для решения отдельного массива проблем.