Spintroniczny termometr dla komórek

Komórki organizmów żywych są tak małe, że można by spodziewać się, iż w każdym miejscu komórki panuje taka sama temperatura. Nic bardziej mylnego. Ostatnio odkryto gradient temperatury w ramach komórki. Precyzyjne pomiary były jednak niemożliwe ze względu na ograniczenia technologiczne.

Ostatnie osiągnięcia dają jednak nadzieję na pokonanie tych przeszkód, wykonanie precyzyjnych pomiarów i stworzenie tym samym szczegółowej przestrzennej mapy termodynamiki komórkowej.

W ubiegłym roku japońscy naukowcy z uniwersytetów w Tokio, Kioto oraz Instytutu Nauki i Technologii w Nara wykazali, że jądro komórki jest średnio o 0,96 stopnia Celsjusza cieplejsze od cytoplazmy, a różnica zależy od momentu cyklu podziału komórkowego. Badania Japończyków były jednak niedokładne, gdyż dysponowali termometrem o dokładności 0,2 stopnia Celsjusza, a rozdzielczość przestrzenna ograniczona dyfrakcją światła wynosiła około 200 nanometrów.

Teraz naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), Ames Laboratory oraz University of Chicago, pracujący pod kierunkiem Davida Awschaloma, wykazali, że niedoskonałości w diamentach mogą zostać wykorzystane do zbudowania niezwykle precyzyjnego termometru. Jego dokładność wynosiłaby tysięczne kelwina, a rozdzielczość przestrzenna byłaby ograniczona jedynie fizycznymi rozmiarami próbnika.

Kluczem do zbudowania takiego termometru jest wykorzystanie wakancji w diamencie, które powstają, gdy atom azotu zastępuje dwa atomy węgla. Miejsce drugiego atomu pozostaje puste. Wakancja prowadzi do pojawienia się wolnych wiązań zawierających elektrony z trzech sąsiednich atomów węgla i atomu azotu - mówi David Toyli. Sześć wolnych wiązań tworzy wirtualną molekułę o ujemnym ładunku, która może przyjmować trzy wartości spinu (+1, 0, -1). Pod wpływem światła lasera dochodzi do fluorescencji wakancji. Co ciekawe, jest ona uzależniona od spinu. Dlatego też wakancje w diamentach są dobrym kandydatem do przechowywania kubitów.

Kolejną interesującą właściwością wakancji jest fakt, że częstotliwość jej fluoroscencji zmienia się w miarę zmiany temperatury i pola magnetycznego, a zmiany te można odczytywać z pojedynczej wakancji. To z kolei oznacza, że wakancje są świetnym materiałem do budowy instrumentów pomiarowych w skali nano. W temperaturze pokojowej częstotliwość fluoroscencji spada o 74 kHz na każdy dodatkowy kelwin. Z kolei dokładność pomiaru jest funkcją długości czasu odczytu. Uczonym z USCB udało się wydłużyć czas pomiaru do 80 mikrosekund. To 45-krotnie dłużej niż dotychczas, co przełożyło się na 7-krotny wzrost dokładności i osiągnięto rozdzielczość rzędu 0,1 kelwina. Naukowcy oceniają, że wydłużenie czasu pomiaru do 1 sekundy pozwoli na zwiększenie dokładności do około 0,01 kelwina.

Dzięki temu samemu czujnikowi możesz zmierzyć pola magnetyczne, pola elektryczne oraz tamperaturę. Wszystko za pomocą jednego próbnika, w tym samym miejscu i mniej więcej w tym samym czasie. A najważniejszą właściwością jest fakt, że wykorzystujemy defekty o rozmiarach atomów, które można uzyskać w nanometrowej wielkości kawałkach diamentu. Zatem taki system mógłby posłużyć jako termometr do pomiaru temperatury w tak trudnym środowisku jak wnętrze komórki - mówi Awschalom.

Naukowcy podkreślają, że w swoich pracach wykorzystali pojedynczą wakancję. Niewykluczone, że jednoczesne użycie wielu wakancji zwiększy czułość oraz poprawi czas odczytu z czujnika.

wakancja temperatura termometr komórka diament