Por décadas, Los científicos han utilizado técnicas como la cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear (RMN) para obtener información invaluable sobre la estructura atómica de las moléculas. Estos esfuerzos se han visto obstaculizados durante mucho tiempo por el hecho de que exigen grandes cantidades de una molécula específica, a menudo en forma ordenada y cristalizada, para ser eficaz, lo que hace que sea casi imposible observar la estructura de la mayoría de las moléculas.

Los investigadores de Harvard dicen que esos problemas pronto serán cosa del pasado.

Un equipo de científicos dirigido por el profesor de Física y Física Aplicada Amir Yacoby, ha desarrollado un sistema de imágenes por resonancia magnética (MRI) que puede producir imágenes a nanoescala, y puede que algún día permita a los investigadores escudriñar la estructura atómica de moléculas individuales. Su trabajo se describe en un artículo del 23 de marzo en Nature Nanotechnology.

"Lo que hemos demostrado en este nuevo artículo es la capacidad de obtener una resolución espacial muy alta, y una tecnología de resonancia magnética en pleno funcionamiento, "Dijo Yacoby." Este trabajo está dirigido a obtener información detallada sobre la estructura molecular. Si podemos obtener imágenes de una sola molécula e identificar que hay un átomo de hidrógeno aquí y un carbono allá ... podemos obtener información sobre la estructura de muchas moléculas que no se pueden obtener con ninguna otra técnica en la actualidad ".

Aunque todavía no es lo suficientemente preciso para capturar imágenes a escala atómica de una sola molécula, el sistema ya se ha utilizado para capturar imágenes de espines de un solo electrón. A medida que se perfecciona el sistema, Yacoby dijo que espera que eventualmente sea lo suficientemente preciso como para observar la estructura de las moléculas.

Si bien el sistema diseñado por Yacoby y sus colegas funciona de la misma manera que lo hacen las resonancias magnéticas convencionales, las similitudes terminan ahí.

"Lo que hemos hecho, esencialmente, es tomar una resonancia magnética convencional y miniaturizarla, "Dijo Yacoby." Funcionalmente, opera de la misma manera, pero al hacer eso, hemos tenido que cambiar algunos de los componentes, y eso nos ha permitido lograr una resolución mucho mayor que los sistemas convencionales ".

Yacoby dijo que si bien los sistemas convencionales pueden lograr resoluciones de menos de un milímetro, están efectivamente limitados por el gradiente de campo magnético que pueden producir. Dado que esos degradados se desvanecen drásticamente a solo unos metros, Los sistemas convencionales construidos alrededor de imanes masivos están diseñados para crear un campo lo suficientemente grande como para visualizar un objeto, como un ser humano, que puede tener un metro o más de longitud.

El sistema a nanoescala ideado por Yacoby y sus colegas, en comparación, utiliza un imán que tiene solo 20 nanómetros de diámetro, aproximadamente 300 veces más pequeño que un glóbulo rojo, pero es capaz de generar un gradiente de campo magnético de 100, 000 veces más grande que incluso los sistemas convencionales más potentes.

La diferencia, Yacoby explicó, es que el imán a nanoescala se puede acercar increíblemente, dentro de unas mil millonésimas de metro, al objeto que se está imaginando.

"Haciendo eso, podemos lograr una resolución espacial mucho mejor que un nanómetro, " él dijo.

Las desviaciones de los sistemas de resonancia magnética convencionales, sin embargo, no terminó ahí.

Para construir un sensor que pudiera leer cómo reaccionan las moléculas a ese gradiente de campo magnético, Yacoby y sus colegas se dirigieron a un campo que parecería no estar relacionado con las imágenes:la computación cuántica.

Usando ultra-puro, diamantes cultivados en laboratorio, el equipo molió pequeños dispositivos, cada uno de los cuales terminaba en una punta superfina, e incrustado una impureza a escala atómica, llamado centro de vacantes de nitrógeno (NV) en cada punta, creando un solo bit cuántico, o qubit, el bloque de construcción esencial de todas las computadoras cuánticas.

En experimentos publicados el año pasado, Yacoby y sus colaboradores demostraron que cuando se escaneó la punta a través de la superficie de un cristal de diamante, el bit cuántico interactuó con los giros de electrones cerca de la superficie del cristal. Luego, esas interacciones podrían usarse para crear una imagen de los giros de electrones individuales. Sin embargo, mientras que la sensibilidad del sensor de bits cuánticos es suficiente para detectar espines de electrones individuales y representa un salto cuántico hacia adelante con respecto a esfuerzos anteriores, su resolución espacial está limitada por su distancia del objeto que se está imaginando.

Para crear imágenes verdaderamente tridimensionales, Yacoby y sus colegas combinaron el enfoque de detección de bits cuánticos con el gradiente de campo grande al acercar el nanoimán tanto a la muestra de interés como al sensor de qubit. Al escanear el imán en 3-D, pero muy cerca de la muestra, pudieron detectar espines de electrones individuales a medida que reaccionaban al campo magnético.

"Este es realmente un juego de acercar mucho el imán para generar grandes gradientes, y acercar mucho el detector para obtener señales más grandes, "Dijo Yacoby." Es esa combinación la que nos da tanto la resolución espacial como la detectabilidad.

"Nuestro sistema actual ya es capaz de obtener imágenes de espines de electrones individuales con una resolución sub-nm [subnanómetro], ", dijo." El gol, finalmente, es poner una molécula cerca de nuestro centro NV para tratar de ver los componentes dentro de esa molécula, a saber, los espines nucleares de los átomos individuales que lo componen. Esta no es una tarea fácil, dado que el espín nuclear genera una señal que es 1, 000 veces más pequeño que el del espín del electrón ... pero ahí es hacia donde nos dirigimos ".