Uma equipe de engenheiros da Johns Hopkins desenvolveu um método novo e mais poderoso para observar vibrações moleculares, um avanço que pode ter implicações de longo alcance para a detecção precoce de doenças.

A equipe, liderada por Ishan Barman , professor do Departamento de Engenharia Mecânica, foi a primeira a mostrar como a luz pode ser usada para formar estados híbridos especiais com moléculas, permitindo que até as menores vibrações sejam detectadas com maior clareza e precisão.

As descobertas da equipe foram publicadas recentemente na Science Advances .

Na área da saúde, esse novo método de detecção de moléculas pode se traduzir em uma detecção mais precoce e precisa de biomarcadores de doenças encontrados no sangue, saliva ou urina. Mas pode ter outras implicações para o uso médico mais amplo: na fabricação de produtos farmacêuticos, pode permitir o monitoramento em tempo real de reações químicas complexas para garantir a consistência e a segurança do produto; e na ciência ambiental, pode permitir a detecção de poluentes ou compostos perigosos em níveis residuais com confiabilidade sem precedentes.

Vibrações moleculares — os movimentos minúsculos e únicos dos átomos dentro de uma molécula — oferecem "impressões digitais" químicas que podem revelar a presença de doenças que vão desde infecções e distúrbios metabólicos até câncer.

Os cientistas geralmente usam técnicas como espectroscopia infravermelha e Raman para detectar essas vibrações, mas esses métodos sofrem de limitações fundamentais: os sinais dos quais dependem são frequentemente fracos, facilmente abafados pelo ruído de fundo e difíceis de isolar em ambientes biológicos complexos, como sangue ou tecido.

"Estávamos tentando superar um desafio de longa data na detecção molecular: como tornar a detecção óptica de moléculas mais sensível, mais robusta e mais adaptável às condições do mundo real?", disse Barman, que possui cargos conjuntos no Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center e no Departamento de Radiologia e Ciências Radiológicas da Faculdade de Medicina Johns Hopkins. "Em vez de tentar aprimorar gradativamente os métodos convencionais, fizemos uma pergunta mais radical: e se pudéssemos reprojetar a própria maneira como a luz interage com a matéria para criar um tipo fundamentalmente novo de detecção?"

A equipe utilizou espelhos de ouro altamente refletivos para formar uma cavidade óptica, que retém a luz e a "rebate" para frente e para trás, aumentando significativamente sua interação com as moléculas contidas nela. O campo de luz confinado e as vibrações moleculares tornam-se tão interligados que formam estados quânticos inteiramente novos, chamados "vibro-polaritons". 

A equipe conseguiu realizar esse feito em condições ambientais reais, sem a necessidade de alto vácuo, criogenia ou outros ambientes extremos, normalmente necessários para preservar estados quânticos frágeis. O autor principal, Peng Zheng , pesquisador associado em engenharia mecânica na Johns Hopkins, afirmou que este estudo detalha como transformar a "detecção vibropolaritônica quântica" de uma ideia conceitual em uma plataforma funcional — e que isso poderia levar a uma nova classe de sensores ópticos com capacidade quântica.

"Em vez de detectar moléculas passivamente, agora podemos projetar o ambiente quântico ao redor delas para melhorar seletivamente suas impressões digitais ópticas utilizando os estados vibro-polaritônicos quânticos", disse Zheng.

Ao utilizar princípios quânticos de uma nova maneira, sem a necessidade de infraestrutura tradicional, este estudo representa um marco importante no avanço do campo emergente das tecnologias quânticas em condições ambientais. Em última análise, Barman vislumbra dispositivos compactos, em escala de microchip, que poderiam levar essas tecnologias quânticas a ferramentas portáteis para ponto de atendimento e métodos de diagnóstico com tecnologia de IA.

"O futuro da detecção quântica não está estagnado no laboratório — ele está pronto para causar um impacto real na medicina, na biofabricação e além", disse Barman.

Este estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais. Steve Semancik, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), foi coautor do estudo.