Un'immagine microscopica di particelle di diamante con difetti di assenza di azoto. Questi campioni, che presentano una forma ottaedrica troncata, sono stati utilizzati in esperimenti che cercavano nuovi modi per sintonizzare e controllare una proprietà elettronica nota come polarizzazione di spin. La barra della scala in basso a destra è 200 micron (milionesimi di pollice). All'occhio umano, i diamanti rosati somigliano a finissima sabbia rossa. Credito:Berkeley Lab, UC Berkeley
Può sembrare contraddittorio, ma i diamanti sono la chiave per una nuova tecnica che potrebbe fornire un'alternativa a bassissimo costo ai dispositivi di imaging medico e di scoperta di farmaci multimilionari.
Un team internazionale guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'Energia ha scoperto come sfruttare i difetti nei diamanti su nanoscala e microscala e potenzialmente migliorare la sensibilità della risonanza magnetica (MRI) e della risonanza magnetica nucleare (NMR). ) eliminando la necessità dei loro costosi e ingombranti magneti superconduttori.
"Questo è stato un problema irrisolto di lunga data nel nostro campo, e siamo stati in grado di trovare un modo per superarlo e per dimostrare che la soluzione è molto semplice, " ha detto Ashok Ajoy, un ricercatore post-dottorato nella Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab, e il Dipartimento di Chimica dell'UC Berkeley, che è stato l'autore principale dello studio. "Nessuno l'ha mai fatto prima. Il meccanismo che abbiamo scoperto è completamente nuovo".
Le macchine per la risonanza magnetica sono impiegate per localizzare i tumori cancerosi e aiutare nello sviluppo di piani di trattamento, mentre le macchine NMR vengono utilizzate per esaminare la struttura su scala atomica e la chimica dei composti farmaceutici e di altre molecole.
La nuova tecnica, descritto nell'edizione del 18 maggio del Progressi scientifici rivista, potrebbe portare all'uso diretto di questi minuscoli diamanti per l'imaging biologico rapido e avanzato. I ricercatori cercheranno anche di trasferire questa speciale messa a punto, nota come polarizzazione di spin, a un fluido innocuo come l'acqua, e per iniettare il fluido in un paziente per scansioni MRI più veloci. L'elevata superficie delle minuscole particelle è fondamentale in questo sforzo, hanno notato i ricercatori.
L'aumento di questa polarizzazione di spin negli elettroni degli atomi dei diamanti può essere paragonato all'allineamento di alcuni aghi di bussola che puntano in molte direzioni diverse nella stessa direzione. Questi spin "iperpolarizzati" potrebbero fornire un contrasto più netto per l'imaging rispetto ai magneti superconduttori convenzionali.
"Questa importante scoperta nell'iperpolarizzazione dei diamanti su nano e microscala ha enormi implicazioni scientifiche e commerciali, "Ajoy ha detto, poiché alcune delle più avanzate macchine per risonanza magnetica e risonanza magnetica possono essere incredibilmente costose e fuori portata per alcuni ospedali e istituti di ricerca.
Il dispositivo in questo diagramma è stato utilizzato per studiare i diamanti sottoposti a luce laser verde e energia a microonde a basso campo. Dopo che sono stati pulsati con luce laser, i campioni di diamante sono stati rapidamente issati su un magnete superconduttore ad alto campo per misurare una proprietà nota come "iperpolarizzazione". Credito:Berkeley Lab, UC Berkeley
"Questo potrebbe aiutare ad espandere il mercato della risonanza magnetica e della risonanza magnetica nucleare, " Egli ha detto, e potrebbe anche potenzialmente ridurre i dispositivi da dimensioni da stanza a dimensioni da banco, che "è stato il sogno fin dall'inizio". Ajoy è un membro del laboratorio di ricerca di Alex Pines presso l'UC Berkeley—Pines è uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, e un pioniere nello sviluppo di NMR come strumento di ricerca.
Gli scienziati avevano lottato per superare un problema nell'orientare correttamente i diamanti per ottenere una polarizzazione di spin più uniforme, e questo problema era ancora più pronunciato nelle collezioni di diamanti molto piccoli che presentavano un caotico miscuglio di orientamenti. sforzi precedenti, Per esempio, aveva esplorato se la perforazione di minuscole caratteristiche nei campioni di diamante potesse aiutare a controllare la loro polarizzazione di spin.
Le proprietà di spin sintonizzabili nei diamanti con difetti noti come vacanze di azoto, in cui gli atomi di azoto prendono il posto degli atomi di carbonio nella struttura cristallina dei diamanti, sono state studiate per un potenziale utilizzo nell'informatica quantistica. In quelle applicazioni, gli scienziati cercano di controllare la polarizzazione dello spin degli elettroni come un modo per trasmettere e memorizzare informazioni come gli uni e gli zeri nella memorizzazione dei dati dei computer magnetici più convenzionali.
Nell'ultimo studio, gli scienziati hanno scoperto che facendo zapping su una collezione di diamanti in microscala con luce laser verde, sottoponendolo a un debole campo magnetico, e spazzando il campione con una fonte di microonde, potrebbero migliorare questa proprietà di polarizzazione dello spin controllabile nei diamanti di centinaia di volte rispetto alle macchine MRI e NMR convenzionali.
Emanuele Druga, un elettricista nei negozi di ricerca e sviluppo dell'UC Berkeley College of Chemistry, ha ideato un ampio strumento di misurazione per la nuova tecnica che si è rivelato determinante nel confermare e mettere a punto le proprietà di polarizzazione dello spin dei campioni di diamante. "Ci ha permesso di eseguire il debug in circa una settimana, " disse Ajoy.
Il dispositivo ha aiutato i ricercatori a trovare una buona dimensione per i cristalli di diamante. All'inizio, usavano cristalli che misuravano circa 100 micron, o 100 milionesimi di metro di diametro. I minuscoli campioni di diamanti rosati assomigliano a sabbia fine e rossa. Dopo il test, hanno scoperto che anche i diamanti che misurano da 1 a 5 micron hanno funzionato circa il doppio.
I minuscoli diamanti possono essere fabbricati in processi economici convertendo la grafite in diamante, Per esempio.
Il team di scienziati ha già sviluppato un sistema miniaturizzato che utilizza componenti standard per produrre la luce laser, energia a microonde, e campo magnetico richiesto per produrre la polarizzazione di spin nei campioni di diamante, e hanno richiesto brevetti sulla tecnica e sul sistema di iperpolarizzazione.
"Si potrebbe pensare di adattare i magneti NMR esistenti con uno di questi sistemi, " disse Raffi Nazaryan, che ha partecipato allo studio come ricercatore universitario presso Berkeley Lab e UC Berkeley. I prototipi del sistema costano solo diverse migliaia di dollari, ha notato.
Mentre la rotazione è di breve durata, i ricercatori hanno detto che stanno esplorando modi per polarizzare continuamente i campioni, e stanno anche studiando come trasferire questa polarizzazione ai liquidi. Ajoy ha detto, "Potremmo potenzialmente riciclare il liquido in modo che scorra in un circuito chiuso, o continuare a iniettare liquido appena polarizzato."
