Grâce à une technique explosive, des chercheurs japonais ont produit à ce jour les plus petits nanodiamants, capables de sonder les différences microscopiques de température dans leur environnement. Avec une explosion soigneusement contrôlée, suivie d'un processus de purification en plusieurs étapes, Norikazu Mizuochi et une équipe de l'Université de Kyoto a fabriqué des nanodiamants photoluminescents environ 10 fois plus petits que ceux produits avec les techniques existantes. Cette innovation pourrait considérablement améliorer la capacité des chercheurs à étudier les infimes différences de température constatées à l’intérieur des cellules vivantes.
Récemment, les centres de lacunes en silicium (SiV) dans le diamant sont apparus comme un outil prometteur pour mesurer les variations de température dans les régions nanométriques. Ces défauts se forment lorsque deux atomes de carbone voisins dans le réseau moléculaire du diamant sont remplacés par un seul atome de silicium. Lorsqu’ils sont irradiés par un laser, ces atomes émettent une fluorescence brillante sur une gamme étroite de longueurs d’onde visibles ou proches de l’infrarouge – dont les pics se déplacent linéairement avec la température de l’environnement du diamant.
Ces longueurs d'onde sont particulièrement utiles pour les investigations biologiques car elles ne constituent aucune menace pour les structures vivantes délicates. Cela signifie que lorsque des nanodiamants contenant des centres SiV sont injectés dans des cellules, ils peuvent sonder les variations microscopiques de température de leur intérieur avec une précision inférieure au Kelvin, permettant ainsi aux biologistes d'étudier de près les réactions biochimiques qui s'y déroulent.
Jusqu’à présent, les nanodiamants SiV ont été en grande partie produits grâce à des techniques telles que le dépôt chimique en phase vapeur et la soumission du carbone solide à des températures et des pressions extrêmes. Pour l’instant, cependant, ces méthodes ne peuvent fabriquer que des nanodiamants d’une taille d’environ 200 nm, suffisamment gros pour endommager les structures cellulaires délicates.
Dans leur étude, Mizuochi et son équipe ont développé une approche alternative, dans laquelle ils ont d'abord mélangé du silicium avec un mélange d'explosifs soigneusement sélectionné. Après avoir fait exploser le mélange dans un CO2 atmosphère, ils ont ensuite traité les produits de l’explosion selon un processus en plusieurs étapes, qui comprenait : l’élimination de la suie et des impuretés métalliques avec un acide mixte ; diluer et rincer les produits avec de l'eau déionisée ; et enduire les nanodiamants restants d'un polymère biocompatible.
Enfin, les chercheurs ont utilisé une centrifugeuse pour filtrer les nanodiamants plus gros. Le résultat final était un lot de nanodiamants SiV sphériques uniformes d’une taille moyenne d’environ 20 nm : les plus petits nanodiamants jamais utilisés pour démontrer la thermométrie à l’aide de défauts de réseau photoluminescents. Grâce à une série d'expériences, Mizuochi et ses collègues ont observé des changements linéaires clairs dans les spectres photoluminescents de leurs nanodiamants, à des températures allant de 22 à 45 °C, englobant les variations trouvées dans la plupart des systèmes vivants.
Les nanodiamants mesurent la conductivité thermique dans les cellules vivantes
Le succès de cette approche ouvre désormais la porte à une thermométrie beaucoup plus détaillée et non invasive depuis l’intérieur des cellules. Ensuite, l’équipe vise à optimiser le nombre de centres SiV dans chaque nanodiamant, les rendant encore plus sensibles à leur environnement thermique. Grâce à ces améliorations, les chercheurs espèrent que ces structures pourront être utilisées pour étudier les organites : les sous-unités de cellules encore plus petites et plus délicates, qui sont essentielles au fonctionnement de tous les organismes vivants.
Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans Carbone.
