Onderzoekers aan de Universiteit van Osaka hebben een technologische doorbraak gerealiseerd die de zoektocht naar buitenaards leven kan versnellen. Door de ontwikkeling van een uiterst compacte sensor op basis van quantumtunneling is het nu mogelijk om de chiraliteit van individuele aminozuren vast te stellen. Deze methode biedt een potentieel efficiënter alternatief om te bepalen of organische moleculen in het zonnestelsel een biologische oorsprong hebben of het resultaat zijn van natuurlijke, abiotische processen.
De kern van dit onderzoek ligt in het concept van chiraliteit, waarbij moleculen als spiegelbeelden van elkaar kunnen bestaan. Aminozuren, die essentieel zijn voor de opbouw van eiwitten, komen voor in een linkshandige (L) en een rechtshandige (D) variant. Volgens universetoday.com produceren processen zonder biologische invloed doorgaans een zogenaamd racemisch mengsel, waarbij beide vormen in een gelijke verhouding van 50/50 aanwezig zijn. Biologisch leven daarentegen vertoont een sterke voorkeur voor specifieke vormen: linkshandige aminozuren voor eiwitten en rechtshandige varianten voor nucleïnezuren. Een duidelijke onbalans tussen deze twee types in een monster wijst daarom vaak op biologische activiteit.
Het detecteren van deze asymmetrie is in de ruimte echter een enorme uitdaging. De huidige stand van zaken vereist vaak omvangrijke apparatuur, zoals complexe chromatografie, fluorescentielabeling of zware optische polarimetrie. Deze methoden maken gebruik van reagentia, dragergassen en lasers, wat problematisch is voor ruimtevaartmissies vanwege het gewicht en de beperkte ruimte aan boord. Omdat aminozuren in de kosmos meestal slechts in minimale sporen voorkomen, is zeer gevoelige maar compacte apparatuur noodzakelijk.
Om dit probleem op te lossen, hebben Takahito Ohshiro en Masateru Taniguchi van de Universiteit van Osaka een innovatieve solid-state quantumtunneling-sensor ontworpen. In een publicatie in Nature Communications beschrijven zij een apparaat dat gebruikmaakt van gouden nanodraden. De techniek steunt op een 'nanogap-apparaat', waarbij twee atomair scherpe gouden draden zo worden gepositioneerd dat er een minuscule opening ontstaat van ongeveer 0,56 tot 0,58 nanometer. Wanneer er een spanning van 0,1 volt wordt aangelegd, kunnen elektronen de barrière oversteken via quantumtunneling, zonder dat er een elektrische vonk ontstaat.
Zodra een aminozuur door diffusie in deze opening terechtkomt, beïnvloedt het molecuul het quantumveld. Dit proces veroorzaakt een specifieke elektrische piek in het signaal. De vorm en amplitude van deze golf fungeren als een unieke elektrische handtekening, waarmee zowel de soort van het aminozuur als de specifieke chiraliteit kan worden geïdentificeerd. Zoals beschreven door , reageren de gouden nanodraden verschillend op de linkshandige en rechtshandige varianten door hun specifieke oriëntatie.
Deze innovatie zou betekenen dat toekomstige ruimtesondes niet langer afhankelijk zijn van zware laboratoriuminstallaties, maar met een kleine sensor direct ter plaatse kunnen vaststellen of organisch materiaal een biologische herkomst heeft.