Una imagen microscópica de partículas de diamante con defectos de vacancia de nitrógeno. Estas muestras, que presentan una forma octaédrica truncada, se utilizaron en experimentos que buscaban nuevas formas de sintonizar y controlar una propiedad electrónica conocida como polarización de espín. La barra de escala en la parte inferior derecha es de 200 micrones (millonésimas de pulgada). Para el ojo humano los diamantes rosáceos se parecen a la fina arena roja. Crédito:Berkeley Lab, UC Berkeley
Puede sonar contradictorio pero los diamantes son la clave de una nueva técnica que podría proporcionar una alternativa de muy bajo costo a los dispositivos multimillonarios de diagnóstico por imágenes médicas y descubrimiento de fármacos.
Un equipo internacional dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley descubrió cómo explotar defectos en diamantes a nanoescala y microescala y potencialmente mejorar la sensibilidad de la resonancia magnética (MRI) y la resonancia magnética nuclear (NMR). ), eliminando la necesidad de sus costosos y voluminosos imanes superconductores.
"Este ha sido un problema sin resolver desde hace mucho tiempo en nuestro campo, y pudimos encontrar una manera de superarlo y demostrar que la solución es muy simple, "dijo Ashok Ajoy, investigador postdoctoral en la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab, y el Departamento de Química de UC Berkeley, quien se desempeñó como autor principal del estudio. "Nadie ha hecho esto antes. El mecanismo que descubrimos es completamente nuevo".
Las máquinas de resonancia magnética se emplean para localizar tumores cancerosos y ayudar en el desarrollo de planes de tratamiento. mientras que las máquinas de RMN se utilizan para examinar la estructura a escala atómica y la química de compuestos de fármacos y otras moléculas.
La nueva técnica, descrito en la edición del 18 de mayo de la Avances de la ciencia diario, podría conducir al uso directo de estos pequeños diamantes para obtener imágenes biológicas rápidas y mejoradas. Los investigadores también buscarán transferir esta afinación especial, conocida como polarización de espín, a un fluido inofensivo como el agua, e inyectar el líquido en un paciente para realizar exploraciones de resonancia magnética más rápidas. La gran superficie de las diminutas partículas es clave en este esfuerzo, señalaron los investigadores.
Mejorar esta polarización de espín en los electrones de los átomos de los diamantes puede compararse con alinear algunas agujas de brújula apuntando en muchas direcciones diferentes en la misma dirección. Estos giros "hiperpolarizados" podrían proporcionar un contraste más nítido para la formación de imágenes que los imanes superconductores convencionales.
"Este importante descubrimiento en la hiperpolarización de diamantes a nano y microescala tiene enormes implicaciones científicas y comerciales, "Ajoy dijo, ya que algunas de las máquinas de resonancia magnética y resonancia magnética más avanzadas pueden ser increíblemente caras y estar fuera del alcance de algunos hospitales e instituciones de investigación.
El dispositivo de este diagrama se utilizó para estudiar diamantes sometidos a luz láser verde y energía de microondas de campo bajo. Después de que fueron pulsados con luz láser, las muestras de diamantes se subieron rápidamente a un imán superconductor de alto campo para medir una propiedad conocida como "hiperpolarización". Crédito:Berkeley Lab, UC Berkeley
"Esto podría ayudar a expandir el mercado de MRI y NMR, " él dijo, y también podría reducir potencialmente los dispositivos del tamaño de una habitación a un tamaño de mesa, que "ha sido el sueño desde el principio". Ajoy es miembro del laboratorio de investigación Alex Pines en UC Berkeley — Pines es un científico principal de la facultad en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley, y pionero en el desarrollo de la RMN como herramienta de investigación.
Los científicos habían luchado por superar un problema al orientar correctamente los diamantes para lograr una polarización de giro más uniforme, y este problema era aún más pronunciado en colecciones de diamantes muy pequeños que presentaban una confusión caótica de orientaciones. Esfuerzos anteriores, por ejemplo, había explorado si perforar pequeñas características en muestras de diamantes podría ayudar a controlar su polarización de espín.
Las propiedades de giro sintonizable en diamantes con defectos conocidos como vacantes de nitrógeno, en las que los átomos de nitrógeno ocupan el lugar de los átomos de carbono en la estructura cristalina de los diamantes, también se han estudiado para su uso potencial en la computación cuántica. En esas aplicaciones, Los científicos buscan controlar la polarización de espín de los electrones como una forma de transmitir y almacenar información como los unos y los ceros en un almacenamiento de datos informático magnético más convencional.
En el último estudio, Los científicos descubrieron que al eliminar una colección de diamantes en microescala con luz láser verde, sometiéndolo a un campo magnético débil, y barriendo la muestra con una fuente de microondas, podrían mejorar esta propiedad de polarización de giro controlable en los diamantes cientos de veces en comparación con las máquinas convencionales de resonancia magnética y resonancia magnética.
Emanuel Druga, un electricista en las tiendas de I + D de la Facultad de Química de UC Berkeley, ideó una gran herramienta de medición para la nueva técnica que resultó fundamental para confirmar y ajustar las propiedades de polarización de espín de las muestras de diamantes. "Nos permitió depurar esto en aproximadamente una semana, "Dijo Ajoy.
El dispositivo ayudó a los investigadores a encontrar un buen tamaño para los cristales de diamantes. En primer lugar, estaban usando cristales que medían alrededor de 100 micrones, o 100 millonésimas de metro de ancho. Las diminutas muestras de diamantes rosáceos se asemejan a una fina arena roja. Después de la prueba, descubrieron que los diamantes que miden entre 1 y 5 micrones funcionan aproximadamente el doble.
Los pequeños diamantes se pueden fabricar en procesos económicos convirtiendo el grafito en diamante, por ejemplo.
El equipo de científicos ya ha desarrollado un sistema miniaturizado que utiliza componentes estándar para producir la luz láser. energía de microondas, y campo magnético requerido para producir la polarización de espín en las muestras de diamantes, y han solicitado patentes sobre la técnica y el sistema de hiperpolarización.
"Podría pensar en adaptar los imanes de RMN existentes con uno de estos sistemas, "dijo Raffi Nazaryan, quien participó en el estudio como investigador de pregrado en Berkeley Lab y UC Berkeley. Los prototipos del sistema cuestan solo varios miles de dólares, El lo notó.
Si bien el giro es de corta duración, los investigadores dijeron que están explorando formas de polarizar continuamente las muestras, y también están investigando cómo transferir esta polarización a los líquidos. "Podríamos reciclar potencialmente el líquido para que fluya en un circuito cerrado, o siga inyectando líquido recién polarizado ".
