I sensori quantistici sono strumenti di misura ad alta precisione il cui funzionamento si basa sugli effetti della quantistica
Nel 2022, il volume del mercato globale di quantumi sensori hanno superato i 278 miliardi di dollari e, secondo gli analisti, nei prossimi 10 anni dovrebbero crescere di altre tre volte. Tali dispositivi sono utilizzati nel settore automobilistico, sanitario, industriale, geologico, dei trasporti, dell'ingegneria informatica e in molti altri settori. Ad esempio, un gravimetro quantistico, sviluppato dall'Università di Birmingham, potrebbe aiutare i geologi a trovare petrolio e altri depositi minerali. Il principio del suo funzionamento si basa su atomi "freddi": la loro temperatura scende a valori prossimi allo zero assoluto, il che dà loro la possibilità di registrare anche minime variazioni di gravità. Ciò consente di rilevare vuoti pericolosi nel sottosuolo, che possono portare a un'emergenza nella miniera. In futuro, il gravimetro potrà essere utilizzato nell'edilizia e per monitorare il trasporto merci.
Ma il contributo davvero inestimabile del quantosensoriale può portare alla medicina. Grazie alla loro sensibilità, i sensori sono in grado di captare i primi segnali della malattia ancor prima che possano essere “catturati” da altri metodi diagnostici. E il rilevamento della malattia in una fase precoce è uno dei fattori principali per il successo del trattamento.
Segnali magnetici
Una delle principali aree di applicazione del quantumsensori in medicina — magnetoencefalografia. Questa procedura consente di studiare lo stato del cervello misurando i campi magnetici che si generano durante la sua attività elettrica.
I metodi diagnostici più moderniLe malattie del cervello vengono registrate non da componenti magnetici, ma elettrici: ad esempio, l'elettroencefalografia funziona secondo questo principio. Ma questa procedura non fornisce informazioni complete: i sensori devono captare il segnale attraverso il cranio e i tessuti, e il corpo umano è un cattivo conduttore di campi elettrici.
Con i campi magnetici, tutto è diverso:un segnale magnetico proveniente da una parte del cervello passa attraverso i tessuti in uno stato invariato, in modo che possiamo ottenere più dati da esso. La difficoltà è che i campi magnetici del nostro cervello sono difficili da catturare, perché la loro potenza è estremamente piccola: 10 miliardi di volte inferiore a quella della Terra. Ciò richiede dispositivi molto sensibili, come i sensori quantistici. Catturando questi piccoli campi magnetici, i sensori consentono di diagnosticare vari tumori cerebrali, la sindrome di Alzheimer o l'epilessia.
Quindi, l'inizio del processo epilettico inizia conpiccola area nella corteccia cerebrale. Con l'aiuto di EEG e MRI, è molto difficile trovare la messa a fuoco, ma i sensori quantistici sono perfettamente in grado di svolgere tale compito. Ciò è particolarmente importante quando il paziente sta per subire un intervento chirurgico ed è necessario trovare l'area da rimuovere il più accuratamente possibile.
Sensori quantistici per ultrasensibiliesistono già magnetoencefalografi, e nel 2021, il team QLU con scienziati di Skoltech e della National Research University Higher School of Economics ha sviluppato il loro nuovo tipo: il primo magnetometro ultrasensibile a stato solido al mondo che può funzionare a temperatura ambiente. Un anno dopo, QLU ha attirato 33 milioni di rubli di investimenti per ampliare il sistema e creare il primo prototipo di laboratorio.
Consegna indirizzo
Un'altra area della medicina dove possonoutilizzare sensori quantistici per la diagnosi e la terapia delle malattie oncologiche. QLU sta attualmente lavorando su uno di questi metodi insieme al laboratorio dei materiali di Gleb Sukhorukov. Il laboratorio crea microcapsule, una sorta di contenitori che possono essere riempiti con un farmaco e introdotti nel flusso sanguigno. A causa di uno speciale rivestimento biologico, possono essere localizzati in aree di infiammazione e oncologia. Vogliamo posizionare nanoparticelle magnetiche in questi contenitori, quindi con l'aiuto di sensori quantistici sarà possibile vedere dove sono localizzate queste particelle e quindi identificare il tumore in una fase iniziale, e questo aumenterà notevolmente le possibilità di un esito positivo della malattia. I sensori hanno già dimostrato la loro efficacia nel tracciamento delle particelle magnetiche: recentemente in QLU è stato testato con successo su topi da laboratorio a cui sono state iniettate nanoparticelle e sono stati in grado di vedere la loro distribuzione in tutto il corpo.
Questo metodo può essere utile non solo perdiagnostica, ma anche terapeutica. Pertanto, le complicazioni in oncologia spesso derivano dalle conseguenze della chemioterapia, che utilizza sostanze molto tossiche. Se le nanoparticelle vengono associate a una capsula contenente un farmaco, questo può essere iniettato a distanza nel tumore. Quando la capsula si attacca alle cellule tumorali, lo vedremo, apriremo il contenitore utilizzando gli ultrasuoni focalizzati o il campo magnetico e quindi rilasceremo il farmaco. In questo modo verrà consegnato specificamente alle cellule tumorali e agirà su di esse in modo preciso, senza avvelenare l'intero corpo.
Dalla riabilitazione all'Internet delle cose
Il potenziale del rilevamento quantistico includeenormi possibilità per la sua applicazione. Pertanto, i sensori quantistici possono aiutare nella riabilitazione dei pazienti che hanno subito un ictus. Per compensare le funzioni di cui erano responsabili le aree morte della corteccia cerebrale, ad esempio la capacità di controllare gli arti, è necessario attivare nuove aree. E qui i sensori altamente sensibili giocano un ruolo importante. Ad esempio, una persona immagina di muovere il braccio e in questo momento attiviamo l'arto utilizzando un dispositivo speciale. Il cervello inizia a costruire nuove connessioni neurali. Per l’elettroencefalografia convenzionale questo è un compito molto lungo e difficile, ma con i sensori quantistici diventa fattibile. E in futuro, la connessione tra segnali cerebrali e movimento degli arti potrebbe essere utilizzata per controllare le protesi.
Un'altra promettente area quantisticasensoriale - monitoraggio dei processi biologici all'interno della cellula. Per fare ciò, è necessario introdurre un sensore nella cella stessa. Ma per non danneggiare il suo lavoro, il sensore deve essere di dimensioni microscopiche e alcuni tipi di sensori quantistici hanno tali dimensioni.
Al di fuori della medicina, i sensori quantistici possono trovare il proprioapplicazione nell'Internet delle cose industriale, nella nuova generazione di tecnologie di navigazione, nello studio dei processi nella crosta terrestre, ad esempio il monitoraggio dei terremoti, e in molti altri settori.
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