La resonancia magnética nuclear (RMN) es una poderosa herramienta científica que se utiliza en la obtención de imágenes médicas y en el sondeo de la estructura química de moléculas y compuestos. Una nueva investigación de la Universidad de Brown muestra una técnica que ayuda a adaptar la RMN para estudiar las propiedades físicas de las películas delgadas, nanomateriales bidimensionales y estados exóticos de la materia.

La RMN implica aplicar un fuerte campo magnético a la muestra y luego aplicarle pulsos de ondas de radio. El campo magnético alinea los momentos magnéticos, o "giros, "de núcleos atómicos dentro de la muestra. Las ondas de radio girarán los espines de ciertos núcleos en la dirección opuesta, dependiendo de la frecuencia de las ondas. Los científicos pueden utilizar la señal asociada a los cambios de giro a diferentes frecuencias para crear imágenes o para determinar la estructura molecular de una muestra.

"La RMN es una técnica muy útil, pero la señal que recibes es muy débil, "dijo Vesna Mitrovic, un profesor asociado de física y el autor principal de la investigación, que se publica en Revisión de instrumentos científicos . "Para obtener una señal utilizable, necesitas detectar muchos giros, lo que significa que necesitas mucho material, Hablando relativamente. Gran parte del trabajo que estamos haciendo ahora en física es con películas delgadas que son parte de pequeños dispositivos o materiales que tienen pequeños cristales con formas extrañas. y es realmente difícil obtener una señal de RMN en esos casos ".

Parte del problema tiene que ver con la geometría de la sonda utilizada para entregar los pulsos de radio y detectar la señal asociada. Suele ser un solenoide una bobina cilíndrica de alambre dentro de la cual se coloca la muestra. La señal de RMN es más fuerte cuando una muestra ocupa la mayor parte del espacio disponible dentro del cilindro. Pero si la muestra es pequeña en comparación con el volumen del cilindro, como serían las películas delgadas y los nanomateriales, la señal se debilita a casi nada.

Pero durante los últimos años, El laboratorio de Mitrovic en Brown ha estado utilizando bobinas planas de RMN para una variedad de experimentos destinados a explorar materiales exóticos y estados extraños de la materia. Las bobinas planas se pueden colocar directamente sobre una muestra o muy cerca de ella, y como resultado no sufren la pérdida de señal de un solenoide. Estos tipos de bobinas de RMN han existido durante años y se han utilizado para algunas aplicaciones específicas en imágenes de RMN, Mitrovic dice:pero no se han utilizado de la misma forma que su laboratorio.

Para esta última investigación, Mitrovic y sus colegas demostraron que las bobinas planas no solo son útiles para aumentar la señal de RMN, pero que diferentes geometrías de bobinas planas pueden maximizar la señal para muestras de diferentes formas y en diferentes tipos de experimentos.

Por ejemplo, en experimentos con películas delgadas de fosfato de indio semiconductor, los investigadores demostraron que las muestras muy pequeñas producen la mayor señal cuando se colocan en el centro de un piso, bobina circular. Para muestras más grandes, y para experimentos en los que es importante variar la orientación del campo magnético externo, una forma de línea de meandro (una línea que hace una serie de giros en ángulo recto) funcionó mejor.

La capacidad de obtener una señal en diferentes orientaciones del campo magnético es importante, Dice Mitrovic. "Hay materiales exóticos y estados físicos interesantes que solo se pueden probar con ciertas orientaciones de campo magnético, ", dijo." Así que saber cómo optimizar nuestra sonda para eso es realmente útil ".

Otra ventaja de las bobinas planas es que les da a los experimentadores acceso a su muestra, en lugar de tenerlo encerrado dentro de un solenoide.

"Muchos de los estados que nos interesan se inducen manipulando la muestra, aplicándole una corriente eléctrica o aplicando una tensión, "Dijo Mitrovic." Las bobinas planas hacen que sea mucho más fácil poder hacer esas manipulaciones ".

Mitrovic espera que la guía que brinda esta investigación sobre cómo optimizar las bobinas planas sea útil para otros físicos interesados ​​en usar la RMN para investigar materiales exóticos y estados de la materia.