Apuntando a los átomos individuales

Los investigadores han encontrado una manera de aplicar la espectroscopia de RMN a átomos individuales

26.06.2019 - Suiza

En las últimas décadas, la espectroscopia de RMN ha permitido capturar la estructura espacial de moléculas químicas y bioquímicas. Ahora los investigadores de ETH han encontrado una manera de aplicar este principio de medición a los átomos individuales.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear -espectroscopia de RMN para abreviar- es uno de los métodos más importantes de análisis físico-químicos. Se puede utilizar para determinar con precisión las estructuras moleculares y la dinámica. La importancia de este método también queda demostrada por el reconocimiento de los dos últimos premios Nobel de ETH Zurich, Richard Ernst y Kurt Wüthrich, por sus contribuciones al perfeccionamiento del método.

La técnica se basa en la resonancia magnética nuclear, que aprovecha el hecho de que ciertos núcleos atómicos interactúan con un campo magnético. Un factor clave aquí es el giro nuclear, que puede compararse con el giro de la parte superior de la camiseta de un niño. Similar a una parte superior que comienza a tambalearse - los expertos lo llaman precesión - los espines nucleares que están expuestos a un campo magnético comienzan a tambalearse. Esto genera una señal electromagnética que puede ser medida usando una bobina de inducción.

Mayor resolución

Un equipo de investigadores dirigido por Christian Degen, profesor de Física del Estado Sólido en ETH Zurich, ha desarrollado un nuevo enfoque que permite seguir directamente la precesión de los espines nucleares únicos. En comparación: las mediciones de RMN convencionales suelen requerir al menos de¹⁰¹² a¹⁰¹⁸ núcleos atómicos para registrar una señal de medición.

En su proyecto, los investigadores de ETH analizaron el comportamiento de los átomos de carbono-13 en los diamantes. En lugar de utilizar métodos convencionales para medir la precesión del núcleo de carbono, utilizaron como sensor el espín de un electrón adyacente en un centro N-V -una imperfección en la red cristalina del diamante-. Kristian Cujia, estudiante de doctorado en el grupo de Degen, resume así el principio: "Usamos un segundo sistema cuántico para estudiar el comportamiento del primer sistema cuántico. De esta manera, creamos una forma muy sensible de medir".

Potencial para futuras aplicaciones

Los sistemas cuánticos son difíciles de precisar, ya que cualquier medición también influirá en el sistema que se está observando. Por lo tanto, los investigadores no pudieron seguir la precesión continuamente; su movimiento habría cambiado demasiado drásticamente. Para resolver este problema, desarrollaron un método especial de medición para capturar el giro del átomo de carbono a través de una serie de mediciones débiles en rápida sucesión. Como resultado, fueron capaces de mantener la influencia de su observación tan pequeña que no influyó en el sistema de manera mensurable, dejando el movimiento circular original perceptible.

"Nuestro método allana el camino para avances notables en la tecnología de RMN", explica Degen. "Esto nos permite potencialmente registrar directamente el espectro de moléculas individuales y analizar estructuras a nivel atómico." Como primer ejemplo, los físicos identificaron la posición tridimensional de los núcleos de carbono en la red de diamantes con resolución atómica. Los físicos ven un enorme potencial en este desarrollo. Estas mediciones detalladas de RMN podrían llevar a nuevos conocimientos en muchas áreas, como ya ha sido el caso de la espectroscopia de RMN convencional en las últimas décadas".

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