Dzięki technice wybuchowej naukowcy w Japonii wyprodukowali jak dotąd najmniejsze nanodiamenty, zdolne do badania mikroskopijnych różnic temperatur w otaczającym je środowisku. Dzięki dokładnie kontrolowanej eksplozji, po której następuje wieloetapowy proces oczyszczania, Norikazu Mizuochiego a zespół z Uniwersytetu w Kioto wyprodukował fotoluminescencyjne nanodiamenty około 10 razy mniejsze niż te produkowane przy użyciu istniejących technik. Innowacja może znacznie poprawić zdolność naukowców do badania minimalnych różnic temperatur występujących wewnątrz żywych komórek.
Niedawno centra wakansów krzemu (SiV) w diamencie stały się obiecującym narzędziem do pomiaru zmian temperatury w regionach nanoskali. Defekty te powstają, gdy dwa sąsiednie atomy węgla w sieci molekularnej diamentu zostają zastąpione pojedynczym atomem krzemu. Po napromieniowaniu laserem atomy te będą jaskrawo fluoryzować w wąskim zakresie długości fal widzialnych lub bliskiej podczerwieni – których szczyty przesuwają się liniowo wraz z temperaturą otoczenia diamentu.
Te długości fal są szczególnie przydatne w badaniach biologicznych, ponieważ nie stanowią zagrożenia dla delikatnych struktur żywych. Oznacza to, że kiedy nanodiamenty zawierające centra SiV są wstrzykiwane do komórek, mogą badać mikroskopijne zmiany temperatury ich wnętrz z dokładnością poniżej kelwina – umożliwiając biologom dokładne badanie reakcji biochemicznych zachodzących wewnątrz.
Jak dotąd nanodiamenty SiV były w dużej mierze wytwarzane za pomocą technik obejmujących chemiczne osadzanie z fazy gazowej i poddawanie stałego węgla działaniu ekstremalnych temperatur i ciśnień. Na razie jednak metody te mogą wytwarzać nanodiamenty tylko do rozmiarów około 200 nm – wciąż wystarczająco dużych, aby uszkodzić delikatne struktury komórkowe.
W swoich badaniach Mizuochi i zespół opracowali alternatywne podejście, w którym najpierw zmieszali krzem ze starannie dobraną mieszanką materiałów wybuchowych. Po zdetonowaniu mieszaniny w CO2 atmosferze, następnie poddali produkty wybuchu wieloetapowemu procesowi, który obejmował: usunięcie wszelkiej sadzy i zanieczyszczeń metalicznych mieszanym kwasem; rozcieńczanie i płukanie produktów wodą dejonizowaną; i powlekanie nanodiamentów, które pozostały, biokompatybilnym polimerem.
Na koniec naukowcy wykorzystali wirówkę do odfiltrowania wszelkich większych nanodiamentów. Efektem końcowym była partia jednolitych, sferycznych nanodiamentów SiV o średniej wielkości około 20 nm: najmniejszych nanodiamentów, jakie kiedykolwiek wykorzystano do zademonstrowania termometrii przy użyciu defektów sieci fotoluminescencyjnej. Poprzez serię eksperymentów Mizuochi i współpracownicy zaobserwowali wyraźne liniowe przesunięcia w widmach fotoluminescencyjnych ich nanodiamentów w temperaturach od 22 do 45 ° C – obejmujących zmiany występujące w większości żywych systemów.
Nanodiamenty mierzą przewodnictwo cieplne w żywych komórkach
Sukces tego podejścia otwiera teraz drzwi do znacznie bardziej szczegółowej, nieinwazyjnej termometrii z wnętrza komórek. Następnie zespół zamierza zoptymalizować liczbę centrów SiV w każdym nanodiamencie, czyniąc je jeszcze bardziej wrażliwymi na ich środowisko termiczne. Dzięki tym ulepszeniom naukowcy mają nadzieję, że struktury te będą mogły zostać wykorzystane do badania organelli: jeszcze mniejszych i delikatniejszych podjednostek komórek, które są niezbędne do funkcjonowania wszystkich żywych organizmów.
Naukowcy opisują swoje odkrycia w Węgiel.
