Της Μιχαέλας Βαλερά,
Το 1981, σε ένα εργαστήριο της Σοβιετικής Ένωσης, ο Alexei Ekimov παρατήρησε πως καθώς προσέθετε ενώσεις χαλκού και χλωρίου σε γυαλί, το χρώμα του γυαλιού εξαρτιόταν από το μέγεθος αυτών των προστιθέμενων σωματιδίων. Δύο χρόνια αργότερα, ο Luis Brus εντυπωσιάστηκε όταν ανακάλυψε πως κατά την εκτέλεση χημικών αντιδράσεων με τη χρήση φωτός, το μέγεθος των νανοσωματιδίων – στοιχείων της αντίδρασης επηρέαζε τις οπτικές τους ιδιότητες στο διάλυμα. Το πρόβλημα, όμως, που συνέχιζε να διεγείρει τους ερευνητές είναι το πώς θα μπορούσαν να ελέγξουν το σχήμα και την ποιότητα των νανοσωματιδίων έτσι που να αιτιολογούν και τα κβαντικά φαινόμενα που εμφανίζονται. Η λύση δόθηκε το 1993 από τον χημικό Moungi Bawendi, ο οποίος επινόησε μια μέθοδο με την οποία μπορούσε να ελέγξει την ακριβή χρονική στιγμή κατά την οποία σχηματίζονταν οι νανοκρύσταλλοι και να διακόψει την περαιτέρω ανάπτυξη τους. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, το Νόμπελ Χημείας για το έτος 2023 απονεμήθηκε δικαιωματικά στους 3 λαμπρούς επιστήμονες που μας κληροδότησαν μια «πολύχρωμη» μικροσκοπική και εξαιρετικά χρήσιμη παρακαταθήκη.
Η έννοια των quantum dots βρίσκεται στο επίκεντρο τα τελευταία χρόνια χάρη στις εξαιρετικές οπτικές τους ιδιότητες να εκπέμπουν φως συγκεκριμένων μηκών κύματος όταν τους εφαρμόζεται ενέργεια. Με μέγεθος μικρότερο αυτών των ιών, οι βαρυσήμαντες κουκίδες αποτελούνται από υλικά ημιαγωγών, όπως το σουλφίδιο του μολύβδου, το σεληνίδιο του καδμίου και το τελλουριούχο κάδμιο, από ένα κέλυφος και μια εξωτερική επίστρωση πολυμερούς, ώσπου τελικά να συνδεθούν με ένα βιομόριο που τα κατευθύνει στον ιστό-στόχο. Οι μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες τεχνικές σήμανσης βιομορίων όπως η βιοφωταύγεια, ο φθορισμός και οι χρώσεις μοιάζουν να υποχωρούν μπροστά στα τεχνητά αυτά μικρομόρια, τα οποία, καθώς συζευχτούν μεταξύ τους, μπορούν να φθορίσουν ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου με τα πιο λαμπρά και έντονα χρώματα.
Οι ερευνητές μπορούν πολύ εύκολα να ελέγξουν το εκπεμπόμενο χρώμα φωτός πειραματίζοντας με το χρώμα και σχήμα του quantum dot. Επί παραδείγματι, μεγαλύτερες νανοκουκίδες εκπέμπουν μεγαλύτερα μήκη κύματος, όπως πορτοκαλί και κόκκινο, ενώ μικρότερες σε μέγεθος φθορίζουν σε χρώματα μπλε και πράσινο. Αυτή η δυνατότητα προσφέρει ένα τεράστιο πλεονέκτημα σε σχέση με τη χρήση άλλων ειδών φθορίζοντων μορίων για τα οποία απαιτείται ένας νέος τύπος μορίου για κάθε ξεχωριστό χρώμα. Από την σύλληψη της ιδέας ότι τα κβαντικά σωματίδια χαρακτηρίζονται από ξεχωριστές ιδιότητες φτάνουμε στο 1993, όταν ο Bawendi σκέφτηκε να μεταφέρει την πρώτη ύλη (ημιαγωγοί) σε έναν καυτό διαλύτη με σκοπό να δημιουργηθούν μονομερή τα οποία στη συνέχεια διαμορφώνουν νανοκρυστάλλους. Ύστερα, με την σταδιακή ψύξη και επαναθέρμανση του διαλύματος μπόρεσε να ελέγξει περαιτέρω χαρακτηριστικά των νανοκρυστάλλων και τελικά να διακόψει την ανάπτυξη τους, ώστε να εκπέμπουν το ευκταίο χρώμα.
Με την εξέλιξη των εμβολίων κατά του ιού SARS-CoV-2, τα νανοφάρμακα και ειδικότερα τα ανόργανα νανοσωματίδια έχουν εισαχθεί ανήκεστα στην καθημερινότητα μας χάρη στις λυσιτελείς ιδιότητες που η μακροσκελική ανθρώπινη πραγματικότητα αδυνατεί να προσεγγίσει. Μια από τις αναρίθμητες εφαρμογές των quantum dots είναι μια συσκευή με γραμμωτό κώδικα που μπορεί να διαγνώσει τρεις ιογενείς λοιμώξεις ταυτόχρονα. Λαμβάνοντας μια σταγόνα αίματος και τοποθετώντας την σε ένα μικροσκοπικό τσιπ, ένα smartphone τραβάει μια φωτογραφία που μπορεί να διαγνώσει αν υπάρχει ιός ή όχι αναλόγως του χρώματος που φθορίζει. Το τσιπ είναι επικαλυμμένο με μικροσκοπικά σφαιρίδια που περιέχουν τις νανοκουκίδες και είναι σχεδιασμένα για να αναγνωρίζουν το γενετικό υλικό του ιού που εξετάζεται.
Εάν ο ασθενής είναι θετικός σε έναν ιό σε ένα δείγμα αίματος, το DNA του ιού θα συνδεθεί με τα σφαιρίδια που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση. Έπειτα, ένα λέιζερ λειτουργεί ως η πηγή ενέργειας για τις νανοκουκίδες που αρχίζουν να εκπέμπουν σε διάφορα μήκη κύματος. Τα quantum dots λάμπουν με διαφορετικά χρώματα ανάλογα με τον ιό που ανιχνεύεται. Η εργασία αυτή έχει πραγματωθεί προς την ανίχνευση των ιών της ηπατίτιδας και του HIV, αλλά η ιδέα είναι τόσο δημιουργική που μπορεί να επεκταθεί και στην ανίχνευση βακτηριακών λοιμώξεων, καρκινικών όγκων μέχρι και ανεξιχνίαστων ασθενειών.
Δεν μπορεί να παραληφθεί βέβαια η συμβολή των quantum dots στην αναβίωση της βιοαπεικόνισης και συγκεκριμένα στην προσπάθεια των ερευνητών να βρουν τρόπους προβολής μέχρι και των πιο διεισδυτικών όγκων στο ανθρώπινο σώμα. Η φωτοδυναμική θεραπεία αποτελεί μια αναδυόμενη τεχνική που βασίζεται στη δράση μορίων-φωτοευαισθητοποιητών. Με την ακτινοβόληση φωτός, τα μόρια αυτά μεταφέρουν ενέργεια στο ενδοκυτταρικό μοριακό οξυγόνο, οδηγώντας στην παραγωγή δραστικών ειδών οξυγόνου (ROS) και τελικά στην επαγωγή απόπτωσης στα καρκινικά κύτταρα. Σε σύγκριση με τα οργανικά μόρια που ήδη έχουν χρησιμοποιηθεί, νανοκουκίδες, όπως αυτές του οξειδίου του γραφενίου, πλεονεκτούν στην ισχυρή απορρόφηση και εκπομπή ακτινοβολίας ειδικά στην περιοχή του εγγύς υπερύθρου (NIR), που ενδείκνυται σε περιπτώσεις βαθιά ριζωμένων όγκων.
Η δυνατότητα εύκολης τροποποίησης των quantum dots δίνει ελπίδα για την απαρχή της χορήγησής τους ως ιχνηλάσιμους φορείς φαρμάκων που μπορούν να διαπεράσουν τα δύσβατα μονοπάτια του εσωτερικού μας βιόκοσμου. Παράλληλα, η ανάπτυξη βιοαισθητήρων βασισμένων στην τεχνολογία των νανομέτρων βρίθει εφαρμογών από την διαγνωστική μέχρι και την ανίχνευση της μόλυνσης του νερού και του εδάφους. Πόσα ακόμα μέλλεται να ανακαλύψουμε; Η απάντηση είναι μάλλον αβέβαιη.
Όσο τα καρκινώματα, όμως, γίνονται πιο επιθετικά, τα ποσοστά ασθενών με ανεξερεύνητα νοσήματα πληθαίνουν και το υγειονομικό προσωπικό απελπίζεται, οι ερευνητές βρίσκονται πάντα εκεί για να προτείνουν δυναμικότερες εναλλακτικές λύσεις. Τα quantum dots υπόσχονται να απλουστεύσουν μια ήδη αρκετά πολύπλοκη ανθρωπότητα. Πόσα τελικά έχουν να μας διδάξουν τα κβαντικά φαινόμενα και ποιες άλλες μυστικές ιδιότητες μπορούμε να αποσχίσουμε από τον πολύχρωμο, αλλά κατά τ’ άλλα μυστήριο νανόκοσμο;
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Nobel Prize Honors Inventors of ‘Quantum Dot’ Nanoparticles, quantamagazine.org. Διαθέσιμο εδώ
- Quantum dots get a second chance to shine, sciencenews.org. Διαθέσιμο εδώ
- WHAT IS A QUANTUM DOT?, anantama.com. Διαθέσιμο εδώ
- Biomedical Applications of Quantum Dots: Overview, Challenges, and Clinical Potential, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
