February 23, 2024

Μια μικροσκοπική συσκευή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού από διαμάντι

Η ανάπτυξη του όγκου ξεκινά με μικροσκοπικές αλλαγές στα κύτταρα του σώματος. Η διάχυση των ιόντων στις μικρότερες κλίμακες είναι καθοριστική για την απόδοση των μπαταριών. Μέχρι τώρα, η ανάλυση των συμβατικών μεθόδων απεικόνισης δεν ήταν αρκετά υψηλή για να αναπαραστήσει αυτές τις διαδικασίες λεπτομερώς. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (TUM) ανέπτυξε κβαντικούς αισθητήρες διαμαντιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ανάλυσης των μαγνητικών εικόνων.

Η μαγνητική τομογραφία (MRI) είναι μια σημαντική ερευνητική μέθοδος απεικόνισης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση ιστών και δομών χωρίς να τους καταστρέφει. Η τεχνική είναι πιο γνωστή στον ιατρικό τομέα ως Μαγνητική Τομογραφία (MRI), όπου ο ασθενής μετακινείται στην τρύπα ενός μεγάλου μαγνήτη σε ένα τραπέζι. Η συσκευή μαγνητικής τομογραφίας δημιουργεί ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με τα μικρά μαγνητικά πεδία των πυρήνων του υδρογόνου στο σώμα. Δεδομένου ότι τα άτομα υδρογόνου κατανέμονται με συγκεκριμένο τρόπο μεταξύ διαφορετικών τύπων ιστών, είναι δυνατό να διαφοροποιηθούν τα όργανα, οι αρθρώσεις, οι μύες και τα αιμοφόρα αγγεία.

Οι μέθοδοι NMR μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την οπτικοποίηση της διάχυσης του νερού και άλλων στοιχείων. Η έρευνα, για παράδειγμα, περιλαμβάνει συχνά την εξέταση της συμπεριφοράς του άνθρακα ή του λιθίου για τη διερεύνηση δομών ενζύμων ή διεργασιών μπαταρίας. «Οι υπάρχουσες μέθοδοι NMR προσφέρουν καλά αποτελέσματα, για παράδειγμα, όταν πρόκειται για την αναγνώριση ανώμαλων διεργασιών σε κυτταρικές αποικίες», λέει ο Dominik Bucher, καθηγητής κβαντικής ανίχνευσης στο TUM. «Αλλά χρειαζόμαστε νέες προσεγγίσεις αν θέλουμε να εξηγήσουμε τι συμβαίνει στις μικροδομές μέσα στα μεμονωμένα κύτταρα».

Αισθητήρες από διαμάντι

Για να γίνει αυτό, η ερευνητική ομάδα δημιούργησε έναν κβαντικό αισθητήρα συνθετικού διαμαντιού. «Εμπλουτίσαμε το στρώμα διαμαντιού που παρέχουμε για τη νέα μέθοδο NMR με ειδικά άτομα αζώτου και άνθρακα ήδη κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης», εξηγεί ο Δρ Peter Knittel από το Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF). Μετά την ανάπτυξη, η ακτινοβολία ηλεκτρονίων διαχωρίζει τα μεμονωμένα άτομα άνθρακα από το τέλειο κρυσταλλικό πλέγμα του διαμαντιού. Τα ελαττώματα που προκύπτουν είναι διατεταγμένα δίπλα στα άτομα αζώτου: έχει δημιουργηθεί το λεγόμενο κενό κέντρο αζώτου. Αυτά τα κενά έχουν ειδικές κβαντομηχανικές ιδιότητες που είναι απαραίτητες για την ανίχνευση. «Η επεξεργασία του υλικού μας βελτιστοποιεί τη διάρκεια των κβαντικών καταστάσεων, επιτρέποντας στους αισθητήρες να μετρούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα», προσθέτει ο Knittel.

Οι κβαντικοί αισθητήρες περνούν την πρώτη δοκιμή

Η κβαντική κατάσταση των κενών κέντρων αζώτου αλληλεπιδρά με τα μαγνητικά πεδία. «Το σήμα μαγνητικής τομογραφίας από το δείγμα στη συνέχεια μετατρέπεται σε ένα οπτικό σήμα που μπορούμε να ανιχνεύσουμε με υψηλό βαθμό χωρικής ανάλυσης», εξηγεί ο Bucher.

Για να δοκιμάσουν τη μέθοδο, οι επιστήμονες του TUM τοποθέτησαν ένα μικροτσίπ με μικροσκοπικά κανάλια γεμάτα νερό στον κβαντικό αισθητήρα διαμαντιών. «Αυτό μας επιτρέπει να προσομοιώσουμε τις μικροδομές ενός κυττάρου», λέει ο Bucher. Οι ερευνητές μπόρεσαν να αναλύσουν με επιτυχία τη διάχυση των μορίων του νερού μέσα στη μικροδομή.

Στο επόμενο βήμα, οι ερευνητές θέλουν να αναπτύξουν περαιτέρω τη μέθοδο που θα επιτρέψει τη διερεύνηση μικροδομών σε μεμονωμένα ζωντανά κύτταρα, τμήματα ιστού ή την κινητικότητα ιόντων υλικών λεπτής μεμβράνης για εφαρμογές μπαταριών. «Η ικανότητα των τεχνικών NMR και MRI να ανιχνεύουν άμεσα την κινητικότητα των ατόμων και των μορίων τα καθιστά απολύτως μοναδικά σε σύγκριση με άλλες μεθόδους απεικόνισης», λέει ο καθηγητής Maxim Zaitsev από το Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ. «Έχουμε βρει τώρα έναν τρόπο να βελτιώσουμε σημαντικά τη χωρική του ανάλυση, η οποία αυτή τη στιγμή συχνά θεωρείται ανεπαρκής, στο μέλλον».

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *