นาโนเทอร์โมมิเตอร์

เมื่อทฤษฎีควอนตัมและเพชรเม็ดจิ๋วช่วยให้สามารถวัดความผันผวนของอุณหภูมิได้ในระดับเศษเสี้ยวองศา

นาโนเทอร์โมมิเตอร์
นาโนเทอร์โมมิเตอร์: เมื่ออนุภาคคริสตัลของเพชรที่ถูกเจือปนด้วย อะตอมของไนโตรเจน (หรือนาโนเทอร์โมมิเตอร์) มันสามารถที่จะรับแสง (สีเขียว) และเปล่งแสงสีแดงออกมาได้ โดยแสงสีแดงที่เปล่งออกมานี้ แตกต่างกันตามอุณหภูมิของบริเวณนั้นๆ ในเซลล์ และเมื่อเซลล์ได้รับความร้อนจากการยิงแสงเลเซอร์ไปยังอนุภาคทองขนาดนาโน นาโนเทอร์โมมิเตอร์ ก็สามารถที่จะบอกถึงความแตกต่างของอุณหภูมิจากการเปล่งแสงสีแดงที่แตกต่างจากเดิมได้

เครื่องมือที่แต่ก่อนพัฒนามาใช้สำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์ ตอนนี้สามารถนำมาใ้ช้วัดอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ที่มีชีวิตได้แล้ว โดยจากการใช้เทคนิคของผลการเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมในในเพชรขนาดเล็ก หรือ nanodimonds สำหรับการจับสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแค่เพียงเศษเสี้ยวขององศา โดยเมื่อนักวิจัยให้ความร้อนแก่ส่วนใดส่วนหนึ่งของเซลล์โดยการใช้เลเซอร์ “และเราก็มีเครื่องมือในการควบคุมอุณหภุมิในระดับเซลล์ได้แล้ว และเราก็สามารถที่จะศึกษาระบบทางชีวภาพที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมินั้นๆ ได้” ปีเตอร์ เมาเรอร์ นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด กล่าว [1]

เพชรเป็นสารที่ใช้ประโยชน์ใด้หลากหลายในเรื่องของการจัดการข้อมูลระดับควอนตัม แต่เดิมที ข้อมูลทั้งหลายจะถูกเก็บไว้ด้วยตัวเลขเพียงสองตัว หรือที่เราเรียกกันว่า บิท ซึ่งจะเป็น 0 หรือ 1 เท่านั้น แต่ว่า บิท ของควอนตัม เราจะเรียกว่า ควอบิท (qubit) ซึ่งสามารถบ่งบอกสถานะ 0 หรือ 1 แบบเดิม และมันยังสามารถที่จะบอกสถานะจำนวนมหาศาล ระหว่าง 0 กับ 1 ได้อีก โดยที่ เพชร ได้เก็บ ควอบิท ไว้ในรูปของสถานะของอิเล็กตรอน ของสารเจือปน ในโครงสร้างคริสตัลของคาร์บอน ซึ่งสารเจือปนนี้ ก็คือ อะตอมของไนโตรเจน ที่มาอยุ่แทนที่อะตอมของคาร์บอน ซึ่งข้างๆ อะตอมของไนโตรเจนที่มาเจือปนนี้ จะเป็นช่องว่างของอะตอมคาร์บอน 1 อะตอม

นักวิจัยประสบความสำเร็จสำหรับการจัดการกับอะตอมของไนโตรเจน โดยมุ่งหมายที่จะใช้มันในการคำนวณโดยใช้คุณสมบัติทางควอนตัมของมันที่กล่าวมาแล้วเบื้องต้น และเนื่องจากว่า อิเล็กตรอนของไนโตรเจนนี้ เป็นอิเล็กตรอนที่มีความไวสูงมากต่อความผันผวนของสนามแม่เหล็ก มันก็เลยทำให้ เพชร พวกนี้ไวต่อการเปลี่ยนแปลงต่ออุณหภูมิด้วยเช่นกัน โดยนักวิจัยก็พยายามที่จะเปลี่ยนข้อด้อยเหล่านี้ ให้เป็นจุดแข็งโดยการใช้มันเป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่เที่ยงตรง [2] และในตอนนี้ เมาเรอร์ ก็ทำให้มันทำงานใด้จริงๆ ในระบบทางชีววิทยา

แสงสีแดง

สำหรับเทคนิคที่ใช้นี้ นักวิจัยได้ใช้เส้นลวดขนาดนาโนฉีดเอา คริสตัลของเพชร เขาไปในเซลล์ เอ็มบริโอของมนุษย์ แล้วหลังจากนั้นเขาก็ได้ฉายแสงเลเซอร์สีเขียวเข้าไปในเซลล์ ซึ่งมันทำให้อะตอมของไนโตรเจนที่เจือปนอยู่ในเพชรเรืองแสงสีแดงออกมา

โดยความแตกต่างของอุณหภูมิของแต่ละส่วนภายในเซลล์จะส่งต่อความเข้มของแสงสีแดงที่เปล่งออกมาจากอะตอมของไนโตรเจนที่เจือปนอยู่ในเพชร และนักวิจัยสามารถวัดความเข้มแสงและใช้มันคำนวณหาอุณหภูมิ ณ แต่ละส่วนของเซลล์ได้ เพราะว่าเพชรเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ย่อมทำให้คริสตัลของเพชรขนาดนาโนนี้มีอุณหภูมิเดียวกับส่ิงแวดล้อมรอบๆ

อีกด้านหนึ่งนักวิจัยก็ทดลองฉีดอนุภาคทองขนาดนาโนเข้าไปในเซลล์แล้วยิ่งเลเซอร์เข้าไปบนอนุภาคทองนี้ เพื่อให้ส่วนต่างๆ ของเซลล์มีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และเขาก็พยายามวัดอุณหภูมิส่วนต่างๆ ของเซลล์ได้อย่างถูกต้องแม่นยำโดยการใช้ นาโนเทอร์โมมิเตอร์ ที่ทำจากเพชรขนาดจิ๋วนั่นเอง

เมาเรอร์กล่าวว่า นาโนเทอร์โมมิเตอร์ ชิ้นนี้ น่าจะเป็นเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาวิจัยทางด้านชีววิทยาขั้นพื้นฐาน ในทางชีววิทยายังไม่มีอะไรเลย ตั้งแต่การแสดงออกของยีน ไปจนถึงกระบวนการเมตาบอลิซึมภายในเซลล์ ที่เคยศึกษาเกี่ยวกับผลกระทบจากอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น นักชีววิทยาสามารถศึกษา พัฒนาการของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ อาทิ หนอนตัวกลม (Caenorhabditis elegans) จากการควบคุมโดยอุณหภูมิ “คุณสามารถที่จะให้ความร้อนกับเซลล์เพียงเซลล์เดียว และศึกษาว่าเซลล์ที่อยู่รอบๆ นั้น มีกระบวนการแบ่งเซลล์ หรือกระบวนการอื่นๆ ช้าลง หรือเร็วขึ้น อย่างไร”

ส่วนนักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่ง ใด้ใช้สารประกอบที่เรืองแสงได้ เพื่อวาดภาพแผนที่อุณหภูมิของเซลล์มนุษย์ แต่ว่า นาโนเทอร์โมมิเตอร์ ของกลุ่มที่ มหาวิทยาลัย ฮาร์วาร์ด คิดค้นได้นั้น มีความไวกว่าถึง 10 เท่า โดยที่นาโนเทอร์โมมิเตอร์สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงได้ถึงระดับ 0.05 องศาเซลเซียส แต่ว่าอย่างไรก็ตาม นาโนเทอร์โมมิเตอร์นี้ ก็ยังต้องพัฒนาต่อไปได้อีก เพราะว่ามันสามารถวัดอุณหภูมิได้ที่ความละเอียด 0.0018 องศาเซลเซียส ได้ภายนอกเซลล์

ส่วนการศึกษาทางเคมี นาโนเทอร์โมมิเตอร์ ก็ยังมีศักยภาพสำหรับตรวจสอบความร้อนที่ไหลเข้า/ออก ที่ส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งที่เกิดขึ้นที่ผิวของสารสองชนิดเวลาผสมกัน David Awschalom นักฟิสิกส์แห่่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย กล่าว “สำหรับผมแล้ว นี่เป็นสิ่งที่น่าพอใจเป็นอย่างยิ่ง เมื่อเห็นว่า นาโนเทอร์โมมิเตอร์ มันสามารถทำงานได้ในเซลล์ที่มีชีวิต”

อ้างอิง

[1] Kucsko, G. et al. Nature 500, 54–59 (2013).

[2] Neumann, P. et al. Nano Lett. 13, 2738–2742 (2013).

ที่มา: http://www.nature.com/news/nanothermometer-takes-the-temperature-of-living-cells-1.13473

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *