دستاورد نوین در فناوری نانوالماس

پژوهشگران ژاپنی نانوالماس‌های پیشرفته با ویژگی‌های چرخشی کوانتومی تولید کردند که قادر به تشخیص تغییرات دمایی و تشخیص بیماری‌ها در سطح سلولی هستند؛ این پیشرفت می‌تواند به انقلابی در فناوری‌های پزشکی و انرژی منجر شود.

کد خبر: ۱۲۰۹۱۵۱

جمعه - ۰۷ دی ۱۴۰۳ / December 27, 2024

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران به دستاوردی بزرگ در فناوری حسگر‌های نانوالماسی با ویژگی‌های چرخشی در مقیاس کوانتومی دست یافتند که برای تصویربرداری زیستی و زیست‌حسگری ایده‌آل است. این حسگر‌های پیشرفته، کاربرد‌های تحول‌آفرینی در حوزه پزشکی و فناوری‌های انرژی نوید می‌دهند.

حسگری کوانتومی و نقش نانوالماس‌ها

حسگری کوانتومی، حوزه‌ای نوظهور است که از ویژگی‌های منحصر به فرد کوانتومی ذرات، مانند برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و حالت‌های چرخشی، برای تشخیص تغییرات در محیط‌های فیزیکی، شیمیایی یا زیستی استفاده می‌کند. یکی از ابزار‌های نویدبخش در این زمینه، نانوالماس‌های حاوی مراکز خلأ نیتروژن (NV) است. این مراکز زمانی شکل می‌گیرند که یک اتم کربن در شبکه الماس با نیتروژن جایگزین شود و در نزدیکی آن خلأ ایجاد شود. با تابش نور به این مراکز، فوتون‌هایی ساطع می‌شود که اطلاعات پایدار چرخشی را حفظ کرده و به عواملی همچون میدان‌های مغناطیسی، الکتریکی و دما واکنش نشان می‌دهند.

با استفاده از تکنیکی به نام «رزونانس مغناطیسی تشخیص نوری» (ODMR)، پژوهشگران تغییرات فلورسانس در مراکز NV را تحت تابش مایکروویو اندازه‌گیری کرده و تغییرات ظریف در حالت‌های چرخشی را آشکار می‌کنند. نانوالماس‌های زیست‌سازگار و قابل سفارشی‌سازی، می‌توانند برای تعامل با مولکول‌های زیستی خاص مهندسی شوند و به ابزاری ارزشمند برای حسگری در سیستم‌های زیستی تبدیل شوند. با این حال، نانوالماس‌های مورد استفاده در تصویربرداری زیستی، نسبت به الماس‌های حجیم، کیفیت چرخشی کمتری دارند که حساسیت و دقت آنها را در تشخیص تغییرات محدود می‌کند.

دستاوردی مهم در فناوری حسگر‌های نانوالماسی

دانشمندان دانشگاه اوکایاما در ژاپن، با همکاری شرکت «سومیتومو الکتریک» و مؤسسه ملی علوم و فناوری کوانتوم، حسگر‌های نانوالماسی تولید کردند که برای تصویربرداری زیستی به اندازه کافی درخشان بوده و کیفیت چرخشی آنها با الماس‌های حجیم قابل مقایسه است. این مطالعه که در ۱۶ دسامبر ۲۰۲۴ در مجله ACS Nano منتشر شد، به سرپرستی ماسازومی فوجیوارا انجام گرفت.

فوجیوارا بیان کرد: این اولین نمایش نانوالماس‌های کوانتومی با کیفیت چرخشی فوق‌العاده بالا است؛ دستاوردی که مدت‌ها در این حوزه مورد انتظار بود و اکنون راه را برای زیست‌حسگری کوانتومی و سایر کاربرد‌های پیشرفته هموار می‌کند.

چالش‌ها و نوآوری‌ها در تولید نانوالماس‌ها

حسگر‌های نانوالماسی کنونی در تصویربرداری زیستی با دو محدودیت اصلی مواجه هستند: غلظت بالای ناخالصی‌های چرخشی که حالت‌های چرخشی NV را مختل می‌کند و نویز چرخشی سطحی که به سرعت پایداری این حالت‌ها را کاهش می‌دهد. برای رفع این چالش‌ها، پژوهشگران بر تولید الماس‌های باکیفیت با ناخالصی‌های بسیار کم تمرکز کردند.

آنها الماس‌های تک‌کریستالی غنی‌شده با ۹۹.۹۹ درصد اتم‌های کربن ۱۲ تولید کردند و سپس با افزودن کنترل‌شده نیتروژن (۳۰ تا ۶۰ قسمت در میلیون)، مراکز NV با غلظت حدود ۱ قسمت در میلیون ایجاد کردند. الماس‌ها خرد شده و به شکل نانوالماس در آب معلق شدند.

نانوالماس‌های تولیدشده با اندازه متوسط ۲۷۷ نانومتر، دارای ۰.۶ تا ۱.۳ قسمت در میلیون مراکز NV منفی بودند و فلورسانس قوی با نرخ شمارش فوتون ۱۵۰۰ کیلوهرتز داشتند که آنها را برای تصویربرداری زیستی مناسب می‌کند.

این نانوالماس‌ها در مقایسه با نمونه‌های تجاری، خواص چرخشی بهتری نشان دادند. آنها به ۱۰ تا ۲۰ برابر توان کمتر مایکروویو برای دستیابی به کنتراست ۳ درصد ODMR نیاز داشتند، جداسازی پیک کمتری داشتند و زمان‌های استراحت چرخشی (T ۱ = ۰.۶۸ میلی‌ثانیه، T ۲ = ۳.۲ میکروثانیه) آنها ۶ تا ۱۱ برابر طولانی‌تر از نانوالماس‌های نوع Ib بود.

کاربرد‌های متنوع در بهداشت و فناوری

برای بررسی پتانسیل حسگری زیستی، پژوهشگران نانوالماس‌ها را وارد سلول‌های هلا کرده و خواص چرخشی آنها را با آزمایش‌های ODMR اندازه‌گیری کردند. نانوالماس‌ها به اندازه کافی درخشان و طیف‌هایی باریک و قابل اعتماد تولید کردند. همچنین، این حسگر‌ها توانستند تغییرات دمایی کوچک را شناسایی کنند و حساسیت دمایی ۰.۲۸ K/√Hz نشان دادند.

این پیشرفت‌ها راه را برای کاربرد‌های متنوع، از شناسایی بیماری در مراحل اولیه گرفته تا مدیریت حرارتی و بهبود عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی انرژی‌کارآمد، هموار می‌کند.

فوجیوارا اظهار داشت: این پیشرفت‌ها می‌توانند مراقبت‌های بهداشتی، فناوری و مدیریت محیطی را متحول کنند و راه‌حل‌های پایداری برای چالش‌های آینده ارائه دهند.