Thông qua một kỹ thuật nổ, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã tạo ra những viên kim cương nano nhỏ nhất cho đến nay, có khả năng thăm dò sự khác biệt nhiệt độ vi mô trong môi trường xung quanh chúng. Với một vụ nổ được kiểm soát cẩn thận, sau đó là quy trình thanh lọc nhiều bước, Norikazu Mizuochi và một nhóm tại Đại học Kyoto đã chế tạo kim cương nano phát quang nhỏ hơn khoảng 10 lần so với kim cương được sản xuất bằng các kỹ thuật hiện có. Sự đổi mới này có thể cải thiện đáng kể khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc nghiên cứu sự khác biệt nhỏ về nhiệt độ được tìm thấy bên trong các tế bào sống.
Gần đây, các trung tâm silicon-vacancy (SiV) trong kim cương đã nổi lên như một công cụ đầy hứa hẹn để đo sự thay đổi nhiệt độ trên các vùng kích thước nano. Những khiếm khuyết này hình thành khi hai nguyên tử carbon lân cận trong mạng phân tử của kim cương được thay thế bằng một nguyên tử silicon. Khi được chiếu tia laze, các nguyên tử này sẽ phát huỳnh quang rực rỡ trong một dải bước sóng hẹp có thể nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại – có các cực đại dịch chuyển tuyến tính với nhiệt độ của môi trường xung quanh viên kim cương.
Những bước sóng này đặc biệt hữu ích cho các nghiên cứu sinh học vì chúng không gây ra mối đe dọa nào đối với các cấu trúc sống mỏng manh. Điều này có nghĩa là khi các hạt kim cương nano chứa tâm SiV được tiêm vào tế bào, chúng có thể thăm dò các biến đổi nhiệt độ cực nhỏ của phần bên trong với độ chính xác dưới kelvin – cho phép các nhà sinh học nghiên cứu kỹ lưỡng các phản ứng sinh hóa diễn ra bên trong.
Cho đến nay, kim cương nano SiV phần lớn được sản xuất thông qua các kỹ thuật bao gồm lắng đọng hơi hóa học và đưa carbon rắn vào nhiệt độ và áp suất cực cao. Tuy nhiên, hiện tại, các phương pháp này chỉ có thể chế tạo các viên kim cương nano có kích thước khoảng 200 nm – vẫn đủ lớn để làm hỏng các cấu trúc tế bào mỏng manh.
Trong nghiên cứu của mình, Mizuochi và nhóm đã phát triển một phương pháp thay thế, trong đó đầu tiên họ trộn silicon với hỗn hợp chất nổ được lựa chọn cẩn thận. Sau khi cho hỗn hợp nổ trong khí CO2 khí quyển, sau đó họ xử lý các sản phẩm của vụ nổ trong một quy trình nhiều giai đoạn, bao gồm: loại bỏ muội than và tạp chất kim loại bằng axit hỗn hợp; pha loãng và rửa sản phẩm bằng nước khử ion; và phủ các hạt kim cương nano còn sót lại bằng một loại polyme tương thích sinh học.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy ly tâm để lọc ra bất kỳ viên kim cương nano nào lớn hơn. Kết quả cuối cùng là một lô kim cương nano SiV hình cầu, đồng nhất với kích thước trung bình khoảng 20 nm: kim cương nano nhỏ nhất từng được sử dụng để chứng minh phép đo nhiệt bằng cách sử dụng khuyết tật mạng phát quang. Thông qua một loạt thí nghiệm, Mizuochi và các đồng nghiệp đã quan sát thấy sự dịch chuyển tuyến tính rõ ràng trong quang phổ phát quang của các kim cương nano của chúng, ở nhiệt độ dao động từ 22 đến 45 °C – bao gồm các biến thể được tìm thấy trong hầu hết các hệ thống sống.
Kim cương nano đo độ dẫn nhiệt trong tế bào sống
Sự thành công của phương pháp này giờ đây mở ra cơ hội cho phép đo nhiệt độ không xâm lấn, chi tiết hơn nhiều từ bên trong tế bào. Tiếp theo, nhóm nhằm mục đích tối ưu hóa số lượng tâm SiV trong mỗi viên kim cương nano, khiến chúng thậm chí còn nhạy cảm hơn với môi trường nhiệt của chúng. Với những cải tiến này, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng những cấu trúc này có thể được sử dụng để nghiên cứu các bào quan: các tiểu đơn vị tế bào nhỏ hơn và mỏng manh hơn, rất quan trọng đối với hoạt động của tất cả các sinh vật sống.
Các nhà nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ trong Carbon.
