Attraverso una tecnica esplosiva, i ricercatori in Giappone hanno prodotto i nanodiamanti più piccoli fino ad oggi, in grado di sondare differenze di temperatura microscopiche negli ambienti circostanti. Con un'esplosione attentamente controllata, seguita da un processo di purificazione in più fasi, Norikazu Mizuochi e un team dell'Università di Kyoto ha fabbricato nanodiamanti fotoluminescenti circa 10 volte più piccoli di quelli prodotti con le tecniche esistenti. L'innovazione potrebbe migliorare sostanzialmente la capacità dei ricercatori di studiare le minuscole differenze di temperatura riscontrate all'interno delle cellule viventi.
Di recente, i centri di vacanza di silicio (SiV) nel diamante sono emersi come uno strumento promettente per misurare le variazioni di temperatura in regioni su scala nanometrica. Questi difetti si formano quando due atomi di carbonio vicini nel reticolo molecolare del diamante vengono sostituiti con un singolo atomo di silicio. Quando irradiati con un laser, questi atomi emetteranno una fluorescenza brillante su un ristretto intervallo di lunghezze d'onda del visibile o del vicino infrarosso, i cui picchi si spostano linearmente con la temperatura dell'ambiente circostante il diamante.
Queste lunghezze d'onda sono particolarmente utili per le indagini biologiche in quanto non rappresentano una minaccia per le delicate strutture viventi. Ciò significa che quando i nanodiamanti contenenti centri SiV vengono iniettati nelle cellule, possono sondare le variazioni di temperatura microscopiche dei loro interni con precisione sub-kelvin, consentendo ai biologi di studiare da vicino le reazioni biochimiche che si verificano all'interno.
Finora, i nanodiamanti SiV sono stati in gran parte prodotti attraverso tecniche che includono la deposizione chimica da vapore e il carbonio solido sottoposto a temperature e pressioni estreme. Per ora, tuttavia, questi metodi possono fabbricare solo nanodiamanti fino a dimensioni di circa 200 nm, ancora abbastanza grandi da danneggiare le delicate strutture cellulari.
Nel loro studio, Mizuochi e il suo team hanno sviluppato un approccio alternativo, in cui hanno prima mescolato il silicio con una miscela accuratamente selezionata di esplosivi. Dopo aver fatto esplodere la miscela in un CO2 atmosfera, hanno quindi trattato i prodotti dell'esplosione in un processo a più stadi, che includeva: rimozione di eventuali fuliggine e impurità metalliche con un acido misto; diluire e risciacquare i prodotti con acqua deionizzata; e rivestire i nanodiamanti rimasti con un polimero biocompatibile.
Infine, i ricercatori hanno utilizzato una centrifuga per filtrare eventuali nanodiamanti più grandi. Il risultato finale è stato un lotto di nanodiamanti SiV sferici uniformi con una dimensione media di circa 20 nm: i nanodiamanti più piccoli mai usati per dimostrare la termometria utilizzando difetti reticolari fotoluminescenti. Attraverso una serie di esperimenti, Mizuochi e colleghi hanno osservato chiari spostamenti lineari negli spettri fotoluminescenti dei loro nanodiamanti, a temperature comprese tra 22 e 45 °C, comprendendo le variazioni riscontrate nella maggior parte dei sistemi viventi.
I nanodiamanti misurano la conducibilità termica nelle cellule viventi
Il successo di questo approccio ora apre la porta a una termometria molto più dettagliata e non invasiva dall'interno delle cellule. Successivamente, il team mira a ottimizzare il numero di centri SiV in ciascun nanodiamante, rendendoli ancora più sensibili ai loro ambienti termici. Con questi miglioramenti, i ricercatori sperano che queste strutture possano essere utilizzate per studiare gli organelli: le subunità cellulari ancora più piccole e delicate, vitali per il funzionamento di tutti gli organismi viventi.
I ricercatori descrivono le loro scoperte in Carbonio.
