Μέσω μιας εκρηκτικής τεχνικής, ερευνητές στην Ιαπωνία παρήγαγαν τα μικρότερα νανοδιαμάντια μέχρι σήμερα, ικανά να διερευνήσουν μικροσκοπικές διαφορές θερμοκρασίας στο περιβάλλον τους. Με μια προσεκτικά ελεγχόμενη έκρηξη, ακολουθούμενη από μια διαδικασία καθαρισμού πολλαπλών σταδίων, Norikazu Mizuochi και μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Κιότο κατασκεύασε φωτοφωταύγεια νανοδιαμάντια περίπου 10 φορές μικρότερα από αυτά που παράγονται με τις υπάρχουσες τεχνικές. Η καινοτομία θα μπορούσε να βελτιώσει ουσιαστικά την ικανότητα των ερευνητών να μελετούν τις μικρές διαφορές θερμοκρασίας που βρίσκονται μέσα στα ζωντανά κύτταρα.
Πρόσφατα, τα κέντρα κενού πυριτίου (SiV) στο διαμάντι έχουν αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για τη μέτρηση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας σε περιοχές νανοκλίμακας. Αυτά τα ελαττώματα σχηματίζονται όταν δύο γειτονικά άτομα άνθρακα στο μοριακό πλέγμα του διαμαντιού αντικαθίστανται με ένα μόνο άτομο πυριτίου. Όταν ακτινοβολούνται με λέιζερ, αυτά τα άτομα θα φθορίζουν έντονα σε ένα στενό εύρος ορατών ή σχεδόν υπέρυθρων μηκών κύματος – των οποίων οι κορυφές μετατοπίζονται γραμμικά με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος χώρου του διαμαντιού.
Αυτά τα μήκη κύματος είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για βιολογικές έρευνες καθώς δεν αποτελούν απειλή για ευαίσθητες ζωντανές δομές. Αυτό σημαίνει ότι όταν τα νανοδιαμάντια που περιέχουν κέντρα SiV εγχέονται στα κύτταρα, μπορούν να ανιχνεύσουν τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του εσωτερικού τους με ακρίβεια κάτω από τον Kelvin - επιτρέποντας στους βιολόγους να μελετήσουν προσεκτικά τις βιοχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό τους.
Μέχρι στιγμής, τα νανοδιαμάντια SiV έχουν παραχθεί σε μεγάλο βαθμό μέσω τεχνικών που περιλαμβάνουν την εναπόθεση χημικών ατμών και την υποβολή του στερεού άνθρακα σε ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις. Προς το παρόν, ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι μπορούν να κατασκευάσουν νανοδιαμάντια μόνο σε μεγέθη περίπου 200 nm – ακόμα αρκετά μεγάλα ώστε να βλάψουν τις ευαίσθητες κυτταρικές δομές.
Στη μελέτη τους, ο Mizuochi και η ομάδα ανέπτυξαν μια εναλλακτική προσέγγιση, όπου πρώτα αναμίξανε πυρίτιο με ένα προσεκτικά επιλεγμένο μείγμα εκρηκτικών. Μετά την έκρηξη του μείγματος σε CO2 ατμόσφαιρα, στη συνέχεια επεξεργάστηκαν τα προϊόντα της έκρηξης σε μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων, η οποία περιελάμβανε: αφαίρεση τυχόν αιθάλης και μεταλλικών ακαθαρσιών με ένα μικτό οξύ. αραίωση και έκπλυση των προϊόντων με απιονισμένο νερό. και επικάλυψη των νανοδιαμαντιών που παρέμειναν με ένα βιοσυμβατό πολυμερές.
Τέλος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια φυγόκεντρο για να φιλτράρουν τυχόν μεγαλύτερα νανοδιαμάντια. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν μια παρτίδα ομοιόμορφων, σφαιρικών νανοδιαμαντιών SiV με μέσο μέγεθος περίπου 20 nm: τα μικρότερα νανοδιαμάντια που χρησιμοποιήθηκαν ποτέ για την επίδειξη θερμομετρίας χρησιμοποιώντας ελαττώματα φωτοφωταύγειας πλέγματος. Μέσω μιας σειράς πειραμάτων, ο Mizuochi και οι συνεργάτες του παρατήρησαν σαφείς γραμμικές μετατοπίσεις στα φάσματα φωτοφωταύγειας των νανοδιαμαντιών τους, σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από 22 έως 45 °C - περιλαμβάνοντας τις διακυμάνσεις που υπάρχουν στα περισσότερα ζωντανά συστήματα.
Τα νανοδιαμάντια μετρούν τη θερμική αγωγιμότητα στα ζωντανά κύτταρα
Η επιτυχία αυτής της προσέγγισης ανοίγει τώρα την πόρτα για πολύ πιο λεπτομερή, μη επεμβατική θερμομέτρηση μέσα από τους εσωτερικούς χώρους των κυττάρων. Στη συνέχεια, η ομάδα στοχεύει να βελτιστοποιήσει τον αριθμό των κέντρων SiV σε κάθε νανοδιαμάντι, καθιστώντας τα ακόμη πιο ευαίσθητα στο θερμικό περιβάλλον τους. Με αυτές τις βελτιώσεις, οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτές οι δομές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη οργανιδίων: τις ακόμη μικρότερες και πιο ευαίσθητες υπομονάδες κυττάρων, που είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία όλων των ζωντανών οργανισμών.
Οι ερευνητές περιγράφουν τα ευρήματά τους στο άνθρακας.
