Un'immagine di fluorescenza a falsi colori di una superficie di diamante. Le piccole macchie circolari scure mostrano i centri di vacanza di azoto (NV) che possono essere utilizzati come rilevatori di campi magnetici di dimensioni atomiche. I singoli centri NV vengono utilizzati per rilevare i deboli campi magnetici emanati dai nuclei degli atomi di idrogeno in un campione organico. La striscia verticale è un filo microfabbricato che trasmette segnali elettromagnetici utilizzati per manipolare i centri NV e i nuclei di idrogeno. I centri NV consentono il rilevamento della risonanza magnetica (la base della risonanza magnetica) in regioni nanoscopiche del campione organico. Credito:IBM Research
(Phys.org)—Due gruppi indipendenti di scienziati negli Stati Uniti e in Germania hanno ridotto la risonanza magnetica (MRI) su scala nanometrica, che potrebbe consentire loro in futuro di rilevare e visualizzare in modo non distruttivo piccole molecole come le proteine a temperatura e pressione ambiente. In precedenza, l'imaging su nanoscala era possibile solo a temperature e pressioni estremamente basse.
La risonanza magnetica funziona rilevando deboli campi elettromagnetici prodotti dai nuclei di atomi come l'idrogeno all'interno delle molecole studiate, e la risonanza collettiva di questi campi. È in grado di immaginare le strutture senza distruggerle, che lo rende utile per la scansione di corpi, ma la sua sensibilità relativamente bassa ne ha finora limitato l'uso su piccola scala a sostanze chimiche con volumi misurati al massimo in micrometri.
Due articoli pubblicati sulla rivista Scienza descrivere la ricerca svolta dai due gruppi separati, che entrambi usavano macchie scure, o difetti di azoto-vacanza (NV), sulla superficie dei diamanti. Il diamante è magneticamente inerte perché è costituito interamente da atomi di carbonio legati covalentemente, e non ci sono elettroni liberi. Però, ci possono essere imperfezioni come NV, in cui un singolo carbonio è sostituito da un atomo di azoto, adiacente a un posto vacante nel reticolo in cui manca un atomo di carbonio. I NV hanno un elettrone libero, che gli conferisce proprietà magnetiche uniche, e sono queste proprietà che i due gruppi di ricerca hanno sfruttato.
La prima squadra, guidato da Daniel Rugar e John Mamim dell'Almaden Research Center di San Jose, California, utilizzavano macchie scure di diamante per rilevare campi magnetici deboli nei materiali vicino alla superficie del diamante. Il gruppo di Rugar ha sintetizzato un diamante estremamente puro con centri NV vicino alla superficie e lo ha ricoperto con un polimero spesso 60 nanometri. Hanno quindi applicato un campo magnetico oscillante. Il Dr. Rugar ha spiegato che quando fai brillare la luce verde sulle macchie scure diventano fluorescenti in rosso, e la luminosità dipende dallo stato magnetico del centro NV. I campi magnetici esterni nelle vicinanze possono influenzare lo spin dell'elettrone centrale NV, che a sua volta influenza la luminosità del rosso fluorescente.
La seconda squadra, guidato da Friedemann Reinhard dell'Università di Stoccarda, utilizzato anche difetti di vacanza dell'azoto su campioni estremamente puri di diamante sintetizzato, ma li hanno usati per registrare gli spettri NMR di una serie di sostanze chimiche poste sulla superficie del diamante. Il dottor Reinhard ha detto che il loro metodo era più passivo dei metodi usati dal team di Rugar, ma questo lo rende un po' più facile da implementare.
La ricerca è importante perché è difficile determinare convenzionalmente le strutture proteiche, che consiste nell'esprimere e purificare le proteine per poi cristallizzarle. Essere in grado di acquisire un'immagine MRI semplificherebbe il processo e consentirebbe di elaborare le strutture di tutte le proteine. Al momento la ricerca di entrambi i team è a un livello di "prova di principio", secondo la squadra di Rugar, e sono necessarie ulteriori ricerche prima che le tecniche possano essere utilizzate per l'immagine delle molecole.
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