الماس‌های نانو درجه کوانتومی برای اولین بار می‌توانند تصویرسازی زیستی و حسگرها را متحول کنند

محققان دانشگاه اوکایاما در ژاپن حسگرهای نانوالماس را توسعه داده‌اند که می‌تواند به تولید حسگرهای کوانتومی پیشرفته و کاربردهای تصویرسازی زیستی منجر شود.

تصویرسازی زیستی درجه کوانتومی به پزشکان اجازه می‌دهد تصاویر بسیار دقیق و جزئی از سلول‌ها، بافت‌ها و اعضا تولید کنند—که بهبود بزرگی در تشخیص و درمان بیماری‌های کشنده ارائه می‌دهد.

از سوی دیگر، حسگرهای کوانتومی به دانشمندان اجازه می‌دهند تغییرات کوچک در مقیاس اتمی و مولکولی اشیا را که حسگرهای معمول توانایی شناسایی آن‌ها را ندارند، تشخیص دهند.

"هر دو فناوری کوانتومی این قابلیت را دارند که سلامت، فناوری و مدیریت محیط‌زیست را متحول کنند، کیفیت زندگی را بهبود بخشند و راه‌حل‌های پایدار برای چالش‌های آینده فراهم کنند،" ماسازومی فوجیوارا، یکی از محققان و استاد دانشگاه اوکایاما، گفت.

ایجاد نانوالماس‌ها با مراکز NV

چه حسگرهای کوانتومی و چه تصویرسازی زیستی، هر دو به بهره‌گیری از خواص کوانتومی ذرات مانند حالت اسپین، درهم‌تنیدگی و ابرموقعیت متکی هستند.

دانشمندان دریافته‌اند که نانوالماس‌ها با مراکز نیتروژن-خلاء حساسیت استثنایی در تشخیص تغییرات کوچک در رفتار الکتریکی، حرارتی و مغناطیسی اشیا دارند — که آن‌ها را به ماده‌ای امیدبخش برای حسگرهای کوانتومی تبدیل کرده‌است.

این امر به دلیل این است که وقتی یک اتم نیتروژن جایگزین یک اتم کربن در الماس می‌شود، فضای خالی کوچکی (خلاء) در کنار آن باقی می‌ماند. این مرکز خلاء NV به نانوالماس‌ها ویژگی‌های منحصربه‌فردی می‌دهد، مانند توانایی درخشاندن زیر نور خاص و تشخیص میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی کوچک.

با این حال، تولید نانوالماس‌های با کیفیت بالا با مراکز NV برای دانشمندان چالشی بزرگ بوده است. تقریباً هر بار که تلاش کردند این کار را انجام دهند، به الماس‌هایی با ناخالصی‌ها و حالت‌های اسپین ناپایدار منجر شد.

فوجیوارا و تیمش این چالش را با رویکردی کنترل‌شده برای ایجاد مرکز NV پشت سر گذاشتند. آن‌ها ابتدا یک کریستال الماس با 99.99٪ اتم‌های ¹² C رشد دادند. سپس نیتروژن را با غلظت 30 تا 60 قسمت در میلیون به کریستال افزودند. با این‌حال، چون هر اتم نیتروژن یک خلاء تشکیل نمی‌دهد، بنابراین غلظت نهایی مرکز NV در الماس یک قسمت در میلیون بود.

سپس محققان کریستال را به قطعات بسیار کوچکی تجزیه کردند، آن‌ها را با آب مخلوط کرده و سپس روی کاورسلایدهای شیشه‌ای که الگوهای شبکه‌ای داشتند، چکاندند. این فرآیند منجر به ایجاد نانوالماس‌های متعددی (NDs) شد که هر کدام حدود 277 نانومتر اندازه داشتند و مراکز NV بار منفی بین 0.6 تا 1.3 قسمت در میلیون داشتند.

"آن‌ها نمایشگر فلورسنس قوی بودند و نرخ شمارش فوتون 1500 کیلوهرتز را به دست آوردند، که آن‌ها را برای کاربردهای تصویرسازی زیستی مناسب می‌کرد. علاوه بر این، این NDs همچنین ویژگی‌های اسپین بهبودیافته نسبت به NDs بزرگ‌تر موجود تجاری نشان دادند." نویسندگان مطالعه اشاره کردند.

استفاده از NDs برای حسگرهای کوانتومی

نویسندگان مطالعه نانوالماس‌های فلورسنس روشن درجه کوانتومی را با موفقیت توسعه دادند. اکنون برای استفاده از آن‌ها در حسگرهای کوانتومی یا تصویرسازی زیستی، نیاز به مطالعه حالت‌های اسپین آن‌ها با استفاده از رزونانس مغناطیسی نوریابی (ODMR) است.

ODMR روش است که نور و مایکروویوها را برای بررسی میدان‌های مغناطیسی ترکیب می‌کند. دانشمندان ابتدا نور را بر روی موادی مانند نانوالماس‌ها می‌تابانند و سپس مایکروویوها را اعمال می‌کنند تا واکنش مواد را ببینند. با مطالعه این تعامل، می‌توانند سیگنال‌های مغناطیسی کوچک را شناسایی کنند و خواص مغناطیسی ماده مانند اسپین را درک کنند.

برای آزمایش امکانات نانوالماس‌های خود، آن‌ها را به سلول‌های HeLa (سلول‌های انسانی که به‌طور گسترده توسط دانشمندان برای آزمایش‌های تحقیقاتی آزمایشگاهی استفاده می‌شوند) معرفی کردند و سپس از ODMR برای بررسی اسپین استفاده کردند. NDs تغییرات کوچک دمایی را با موفقیت شناسایی کردند که به‌طور نزدیکی غیرممکن بود با فناوری‌های موجود شناسایی شود.

علاوه بر این، "آن‌ها به 10-20 برابر کمتر قدرت مایکروویو برای دستیابی به 3 درصد کنتراست ODMR نیاز داشتند، تفکیک پیک کمتری داشتند، و زمان‌های استراحت اسپین به‌طور قابل‌توجهی طولانی‌تری (T1 = 0.68 ms, T2 = 3.2 µs) داشتند، که 6 تا 11 برابر طولانی‌تر از NDs نوع-Ib بود," محققان گفتند.

این اولین بار است که نانوالماس‌های درجه کوانتومی با کیفیت بالا به‌طور موفقیت‌آمیز ایجاد و آزمایش شده‌اند. امیدواریم که این نوآوری باعث تقویت تولید برنامه‌های پیشرفته حسگرهای زیستی کوانتومی شود.

مطالعه در ژورنال ACS Nano منتشر شده‌است.