Pode parecer contraditório, mas os diamantes são a chave para uma nova técnica que pode fornecer uma alternativa de custo muito baixo para imagens médicas multimilionárias e dispositivos de descoberta de medicamentos.

Uma equipe internacional liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley descobriu como explorar defeitos em diamantes em nano e microescala e aumentar potencialmente a sensibilidade da imagem por ressonância magnética (MRI) e ressonância magnética nuclear (NMR ) sistemas enquanto elimina a necessidade de seus ímãs supercondutores caros e volumosos.

"Este tem sido um problema não resolvido de longa data em nosso campo, e conseguimos encontrar uma maneira de superá-lo e mostrar que a solução é muito simples, "disse Ashok Ajoy, um pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e o Departamento de Química da UC Berkeley, que atuou como o autor principal do estudo. "Ninguém jamais fez isso antes. O mecanismo que descobrimos é completamente novo."

As máquinas de ressonância magnética são utilizadas para localizar tumores cancerígenos e auxiliar no desenvolvimento de planos de tratamento, enquanto as máquinas de RMN são usadas para examinar a estrutura em escala atômica e a química de compostos de drogas e outras moléculas.

A nova técnica, descrito na edição de 18 de maio do Avanços da Ciência Diário, poderia levar ao uso direto desses minúsculos diamantes para imagens biológicas rápidas e aprimoradas. Os pesquisadores também buscarão transferir essa afinação especial, conhecido como polarização de spin, a um fluido inofensivo como a água, e injetar o fluido em um paciente para exames de ressonância magnética mais rápidos. A grande área de superfície das minúsculas partículas é a chave neste esforço, pesquisadores observaram.

Aumentar essa polarização de spin nos elétrons dos átomos dos diamantes pode ser comparado ao alinhamento de algumas agulhas de bússola apontando em muitas direções diferentes para a mesma direção. Esses spins "hiperpolarizados" poderiam fornecer um contraste mais nítido para imagens do que os ímãs supercondutores convencionais.

"Esta importante descoberta na hiperpolarização de diamantes em nano e microescala tem enormes implicações científicas e comerciais, "Ajoy disse, já que algumas das máquinas mais avançadas de ressonância magnética e ressonância magnética podem ser incrivelmente caras e fora do alcance de alguns hospitais e instituições de pesquisa.

"Isso poderia ajudar a expandir o mercado de ressonância magnética e RMN, " ele disse, e também poderia reduzir potencialmente os dispositivos do tamanho de uma sala para uma bancada, que "tem sido o sonho desde o início." Ajoy é membro do laboratório de pesquisa Alex Pines na UC Berkeley - Pines é um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e pioneira no desenvolvimento de RMN como ferramenta de pesquisa.

Os cientistas lutaram para superar o problema de orientar adequadamente os diamantes para obter uma polarização de spin mais uniforme - e esse problema era ainda mais pronunciado em coleções de diamantes muito pequenos que apresentavam uma confusão caótica de orientações. Esforços anteriores, por exemplo, havia explorado se a perfuração de pequenos recursos em amostras de diamante poderia ajudar no controle de sua polarização de spin.

As propriedades sintonizáveis ​​de spin em diamantes com defeitos conhecidos como vacâncias de nitrogênio - em que os átomos de nitrogênio tomam o lugar dos átomos de carbono na estrutura cristalina dos diamantes - também foram estudadas para uso potencial em computação quântica. Nesses aplicativos, os cientistas procuram controlar a polarização do spin dos elétrons como uma forma de transmitir e armazenar informações como uns e zeros no armazenamento magnético de dados de computador mais convencional.

No último estudo, os cientistas descobriram que, ao zapear uma coleção de diamantes em microescala com luz laser verde, sujeitando-o a um campo magnético fraco, e varrendo a amostra com uma fonte de micro-ondas, eles poderiam aumentar essa propriedade de polarização de spin controlável nos diamantes em centenas de vezes em comparação com as máquinas convencionais de ressonância magnética e RMN.

Emanuel Druga, um eletricista nas lojas de P&D da UC Berkeley College of Chemistry, desenvolveu uma grande ferramenta de medição para a nova técnica que provou ser instrumental na confirmação e no ajuste fino das propriedades de polarização de spin das amostras de diamante. "Isso nos permitiu depurar isso em cerca de uma semana, "Disse Ajoy.

O dispositivo ajudou os pesquisadores a encontrar um bom tamanho para os cristais de diamante. Inicialmente, eles estavam usando cristais que mediam cerca de 100 mícrons, ou 100 milionésimos de um metro de diâmetro. As minúsculas amostras de diamantes rosados ​​lembram areia vermelha fina. Após o teste, eles descobriram que diamantes medindo cerca de 1 a 5 mícrons tiveram um desempenho duas vezes melhor.

Os minúsculos diamantes podem ser fabricados em processos econômicos, convertendo grafite em diamante, por exemplo.

A equipe de cientistas já desenvolveu um sistema miniaturizado que usa componentes prontos para a produção de luz laser, energia de microondas, e campo magnético necessário para produzir a polarização de spin nas amostras de diamante, e eles solicitaram patentes sobre a técnica e o sistema de hiperpolarização.

"Você poderia pensar em adaptar os ímãs de NMR existentes com um desses sistemas, "disse Raffi Nazaryan, que participou do estudo como pesquisador de graduação no Berkeley Lab e na UC Berkeley. Os protótipos do sistema custam apenas vários milhares de dólares, ele notou.

Embora o giro tenha vida curta, pesquisadores disseram que estão explorando maneiras de polarizar continuamente as amostras, e também estão pesquisando como transferir essa polarização para líquidos. "Podemos potencialmente reciclar o líquido para que flua em um circuito fechado, ou continue injetando o líquido polarizado recentemente. "