הטמפרטורה מעורבת בכל תהליך שאנו מכירים. היא משפיעה על ביצועי המחשבים שלנו, על תגובות כימיות, על תהליכים ביולוגים בגופנו ועוד. כדי להבין ולשלוט בתהליכים, עלינו לדעת למדוד ולשלוט בטמפרטורה שבה הם מתרחשים.
כולנו יודעים מחיי היומיום שקיימות דרכים מגוונות למדוד טמפרטורה. אנחנו יודעים לבדוק את הטמפרטורה בחדר, יש לנו מדחום למדוד בו את הטמפרטורה של הגוף שלנו וקיימות מערכות מדידה שמסוגלות למדוד בדיוק רב טמפרטורות גבוהות מאוד או נמוכות מאוד. לכאורה לא מסובך למדוד טמפרטורה. אולם מה קורה כשאנו מבקשים לדעת את הטמפרטורה באזורים קטנים מאוד, לדוגמה בטרנזיסטור אחד בלבד במחשב שלנו, או בתא אחד בגופנו? ומה עם נרצה לדעת לרדת לקנה מידה עוד יותר קטן ולמדוד הפרשי טמפרטורות בין אזורים שונים באותו תא? האם הטכנולוגיה מאפשרת דיוק גבוה עד כדי כך?
לאחרונה פורסמו תוצאות של ניסוי שהדגים מדידה מדויקת מאוד של טמפרטורה בשטח קטן מאוד, אפילו קטן יותר מגודלו של תא בודד. בניגוד לשיטות מדידה קודמות, השיטה החדשה שהודגמה נהנית משני יתרונות בולטים. ראשית, היא מדויקת מאוד ומאפשרת למדוד את הטמפרטורה בדיוק של כאלפית המעלה. ושנית, היא מותאמת למדידה ברקמות ביולוגיות חיות.
מרכזי חנקן-ריק
השיטה, כפי שהדגימו אותה החוקרים מאוניברסיטת הרוורד ו-MIT, מתבססת על פגמים ביהלום שמכונים "מרכזי חנקן-ריק". יהלום טהור מורכב מאטומי פחמן בלבד המסודרים בסריג מחזורי מיוחד. אטומי חנקן יכולים להחליף אטומי פחמן בסריג בדרכים שונות וכך ליצור פגמים ביהלום. אחת הדרכים המיוחדות שבהן אפשר להכניס אטום חנקן לסריג היא על ידי החלפה של שני אטומי פחמן סמוכים באטום חנקן בודד. בשיטה זו, בעקבות הכנסת אטום החנקן נוצרת בתוך היהלום תת-מערכת המורכבת מאטום החנקן ומהאתר הריק שלידו (שבו חסר אטום נוסף, שכן החלפנו שני אטומי פחמן באטום אחד בלבד של חנקן) המערכת הזו נקראת מרכז חנקן-ריק.
מרכז חנקן-ריק | התרשים לקוח מוויקיפדיה; נוצר בידי NIMSoffice
למערכת הזו יש מומנט מגנטי פנימי הקרוי ספין, שיכול לקבל אחד משלושה ערכים לפי כיוונו של הספין: למעלה (1), למטה (-1) או לאחד הצדדים (0). בהיעדר שדה מגנטי חיצוני אין זה משנה לאיזה כיוון מצביע הספין, והאנרגיה של המערכת זהה, אולם כשמופעל על המערכת שדה מגנטי חיצוני היא נוטה להסתדר על פי כיוונו של השדה ולכן האנרגיה הכללית של המערכת יורדת (עקב אנרגיית זימן, שהיא "המחיר" האנרגטי שמשלמים על ספין שאינו תואם לשדה המגנטי). כך אפשר להשתמש בה למדידה מדויקת מאוד של שדות מגנטיים, או לאחסון מידע קוונטי.
בדומה לשדה מגנטי חיצוני, גם טמפרטורה גורמת לפיצול של רמת היסוד של המערכת, אך רק לשתי רמות. כשהטמפרטורה גבוהה מהאפס המוחלט אפילו באלפיות המעלה, מצב היסוד מתפצל לשניים. בעוד שמצב "0" אינו מושפע מהטמפרטורה, האנרגיה של שני המצבים האחרים עולה ונוצר פער אנרגיה ביניהם לבין מצב היסוד, ופער האנרגיה הזה גדל ככל שהטמפרטורה עולה.
החוקרים התבססו על האפקט הזה על מנת להפוך את המערכת למד טמפרטורה רגיש. לשם כך היה עליהם להדגים שהם יכולים למדוד את פער האנרגיה ולחלץ ממנו את הטמפרטורה של המערכת. הם עשו זאת באמצעות הקשר שבין רמות האנרגיה של המערכת ליכולתה לפזר אור לייזר המוקרן עליה.
רמות האנרגיה של המערכת משפיעות על הפוטונים שהיא יכולה לקלוט או לפלוט, שכן המערכת יכולה לבלוע ולבלוט רק פוטונים שהאנרגיה שלהם זהה להפרש בין שתי רמות האנרגיה שלה. אפשר למדוד את רמות האנרגיה הפנימיות של המערכת על ידי הארתה בלייזר בתדירות הידועה בדיוק רב, כלומר בעל אנרגיה מוגדרת לכל פוטון. אם האנרגיה הזו זהה להפרש בין שתי רמות אנרגיה פנימיות של המערכת, הפוטונים ייבלעו ולאחר מכן ייפלטו מחדש לכיוון אקראי, כלומר אור הלייזר יפוזר. אם אנרגיית הפוטונים אינה תואמת להפרש בין רמות האנרגיה במערכת, הפוטונים לא ייבלעו והלייזר פשוט יעבור דרך המערכת בלי הפרעה.
את תדירות הלייזר אפשר לסרוק באופן מדויק, עד שמגיעים לנקודה שבה הלייזר נבלע ומפוזר מהמערכת. כך מתגלה מבנה האנרגיה הפנימי. מאחר שהמבנה הזה תלוי בטמפרטורה, זו דרך טובה ומדויקת למדוד את הטמפרטורה של מרכז החנקן-ריק ביהלום.
פיצול רמת היסוד של המערכת בהשפעת הטמפרטורה
בתרשים שלמעלה, מצב היסוד מורכב משלוש רמות שונות עקב הספין. כאשר הטמפרטורה אינה האפס המוחלט, שתיים מהרמות עולות לאנרגיה גבוהה יותר. בסריקה של לייזר אפשר להביא את המערכת ממצב היסוד למצב מעורר יותר, כלומר בעל אנרגיה גבוה, וכך לזהות את הפיצול ברמת היסוד ולהסיק ממהו את הטמפרטורה.
מתיאוריה למעשה
בשלב הראשון הדגימו החוקרים שעל ידי שימוש ביהלום גדול הם יכולים למדוד בדיוק רב את הטמפרטורה. בשלב הבא היה עליהם למזער את המערכת. לשם כך הם השתמשו ב"ננו-יהלומים" – גבישים קטנים מאוד של יהלום, בגודל של כמה מיליארדריות המטר בלבד. החוקרים הניחו יהלום כזה קרוב מאוד לחלקיק זהב והאירו על החלקיק כדי לחמם אותו לטמפרטורה ידועה. לאחר מכן מדדו בשיטה החדשה את הטמפרטורה של מרכזי החנקן-ריק בננו יהלום וגילו שהם אכן מודדים את הטמפרטורה המדויקת שאליה חיממו את החלקיק.
כעת, אחרי שהדגימו שהמערכת שהם בנו אכן עובדת, ושניתן למדוד באמצעותה טמפרטורות בדיוק רב ובשטח זעיר, רצו החוקרים להוכיח שהיא יעילה גם לשימושים ביולוגיים. לכן הם תכננו החוקרים את הניסוי הבא: חלקיק זהב ושני ננו-יהלומים הוכנסו לתוך תא חי. היהלומים הוכנסו במרחקים שונים מחלקיק הזהב. כעת חיממו החוקרים את חלקיק הזהב, ובמקביל מדדו בשיטתם החדשה את הטמפרטורה של שני הננו-יהלומים.
החוקרים הצליחו בשיטה זו להראות שבתגובה לחימום חלקיק הזהב החל לזרום חום בתוך התא. הטמפרטורה של שני הננו-יהלומים החלה לעלות, אולם באופן שונה. הננו-יהלום הקרוב יותר לחלקיק הזהב התחמם לטמפרטורה גבוה יותר.
לכאורה נשמע שזוהי תוצאה ברורה ואין בה כל דבר מעניין. ברור שככל שאנחנו מתקרבים למקור החום הטמפרטורה תעלה. בפועל, הניסוי הזה פורץ דרך בשני מובנים.
הדמיה: התא החי (בכחול) וקרן אור ירוקה מחממת אותו. שני ננו יהלומים משמשים למדידה
ראשית, החוקרים הדגימו שהם מסוגלים לייצר מד טמפרטורה מזערי ורגיש מאוד. הדיוק במדידת הטמפרטורה נע בין אלפיות המעלה לעשרות אלפיות המעלה, תלוי בגודל היהלום, כך שככל שהיהלום קטן יותר, גם הדיוק מצטמצם. זהו שילוב מדהים בין דיוק רב לגודל קטן. ושנית, החוקרים הצליחו להדגים שהם יכולים למדוד את טמפרטורת התא גם כשהתא חי. כלומר השיטה הזו מתאימה למדידה של תהליכים ביולוגיים בתוך מערכות ביולוגיות חיות.
כעת נותר לנו לחכות ולקוות שבעתיד הקרוב נראה את מד הטמפרטורה החדש הזה נכנס לשימוש ומספק לנו מידע חדש וחשוב על המתרחש בתהליכים ביולוגים, ואיך הטמפרטורה משפיעה עליהם.
חימום ומדידת טמפרטורה בתא בודד. משמאל: הדמיית חום של התא עם חלקיק הזהב כמקור חום; מימין: הטמפרטורה של שני הננו-יהלומים
המאמר המלא פורסם במגזין Nature, ואנו מודים לכתב העת על האישור שנתן לנו לפרסום התמונות. בעלי גישה למאגר הנתונים של כתב העת יוכלו למצוא את המאמר בקישור הבא.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
