Introdotto per la prima volta in largo uso a metà del XX secolo, Da allora la risonanza magnetica nucleare (NMR) è diventata una tecnica indispensabile per esaminare i materiali fino ai loro atomi, rivelando la struttura molecolare e altri dettagli senza interferire con il materiale stesso.

"È una tecnica ampiamente utilizzata nell'analisi chimica, caratterizzazione dei materiali, RM—situazioni in cui si esegue un'analisi non invasiva, ma con dettagli atomici e molecolari, ", ha affermato il professore di chimica della UC Santa Barbara Songi Han. Inserendo un campione in un forte campo magnetico e quindi sondandolo con onde radio, gli scienziati possono determinare dalla risposta dei nuclei oscillanti negli atomi del materiale la struttura molecolare del materiale.

"Però, il problema con la risonanza magnetica è stato che, poiché è una tecnica a così bassa energia, non è molto sensibile, "Ha detto Han. "E 'molto dettagliato, ma non si ottiene molto segnale." Di conseguenza, potrebbero essere necessarie grandi quantità di materiale campione rispetto ad altre tecniche, e la debolezza generale dei segnali rende l'NMR meno che ideale per lo studio di processi chimici complessi.

Un rimedio a questa situazione risiede nella polarizzazione nucleare dinamica (DNP), una tecnica popolare in cui l'energia viene "presa in prestito" dagli elettroni vicini per migliorare il segnale emanato dai nuclei.

"Gli elettroni hanno un'energia molto più alta dei nuclei, " ha spiegato Han. Costruito in molecole "radicali" appositamente progettate, la polarizzazione di questi elettroni spaiati viene trasferita ai nuclei per migliorare il loro segnale.

Un argomento scottante come DNP è diventato negli ultimi dieci anni, però, Han pensa che stiamo ancora grattando la superficie.

"Nonostante il DNP abbia cambiato radicalmente il panorama dell'NMR, alla fine del giorno, sono stati utilizzati solo una manciata di agenti polarizzanti di design, "Ha detto Han. "Un agente polarizzante è stato usato per polarizzare i nuclei di idrogeno, ma il potere di DNP è maggiore di quello. In linea di principio, molte altre fonti di spin elettronico possono polarizzare molti altri tipi di spin nucleare".

In un articolo pubblicato sulla rivista chimica , Han e colleghi spingono i confini dell'NMR con la prima dimostrazione di polarizzazione nucleare dinamica utilizzando il metallo di transizione vanadio (IV). Secondo Han, il loro nuovo approccio, soprannominato "spettroscopia DNP iperfine", offre uno sguardo sulla chimica locale tipicamente oscura intorno ai metalli di transizione, che sono importanti per processi come la catalisi e le reazioni di riduzione-ossidazione.

"Ora potremmo essere in grado di utilizzare metalli endogeni che sono presenti nei catalizzatori e in molti altri materiali importanti, "Han ha detto, senza dover aggiungere agenti polarizzanti, quelle molecole radicali, per produrre un segnale NMR più forte.

L'ironia con i metalli di transizione come vanadio e rame, Han ha spiegato, è che quegli atomi tendono a essere centri funzionali, luoghi in cui ha luogo una chimica importante.

"E quegli esatti centri di azione e centri funzionali sono stati molto difficili da analizzare (con NMR) perché tendono a diventare invisibili, " ha detto. Gli spin dell'elettrone nel metallo di transizione tendono ad accorciare la durata del segnale NMR, lei spiegò, facendoli scomparire prima che possano essere rilevati.

Questa non sarebbe la prima volta che viene osservata la chimica intorno ai metalli di transizione, Han ha detto, indicando studi che hanno esaminato gli ambienti chimici intorno al gadolinio e al manganese. Ma lo strumento disponibile in commercio utilizzato in quegli studi offriva "una visione molto ristretta".

"Ma ci sono molti altri metalli che sono molto più importanti per la chimica, " ha detto. "Così abbiamo sviluppato e ottimizzato la strumentazione che migliora la gamma di frequenza dalla portata molto ristretta di uno strumento commerciale a una gamma molto più ampia".

Con la loro spettroscopia DNP iperfine i ricercatori hanno anche scoperto che il segnale viene effettivamente spazzato via all'interno di una certa regione attorno al metallo chiamata barriera di diffusione dello spin, ma se i nuclei si trovano al di fuori di quella zona il segnale diventa visibile.

"Ci sono modi per alleggerire quell'ambiente, ma devi sapere come e perché, "Han ha detto, aggiungendo che i co-autori principali del documento, Sheetal Kumar Jain dell'UC Santa Barbara e Chung-Jui Yu della Northwestern University continueranno a esplorare e applicare questo nuovo metodo mentre perseguono le loro carriere accademiche e di ricerca.