Nucleaire magnetische resonantie (NMR) is een krachtig wetenschappelijk hulpmiddel dat wordt gebruikt bij medische beeldvorming en bij het onderzoeken van de chemische structuur van moleculen en verbindingen. Nieuw onderzoek van Brown University toont een techniek aan die helpt NMR aan te passen om de fysische eigenschappen van dunne films te bestuderen, tweedimensionale nanomaterialen en exotische toestanden van materie.

NMR omvat het toepassen van een sterk magnetisch veld op het monster en het vervolgens zappen met pulsen van radiogolven. Het magnetische veld lijnt de magnetische momenten uit, of "draait, " van atoomkernen in het monster. De radiogolven zullen de spins van bepaalde kernen in de tegenovergestelde richting draaien, afhankelijk van de frequentie van de golven. Wetenschappers kunnen het signaal van spin-flips op verschillende frequenties gebruiken om afbeeldingen te maken of om de moleculaire structuur van een monster te bepalen.

"NMR is een zeer bruikbare techniek, maar het signaal dat je krijgt is erg zwak, " zei Vesna Mitrovic, een universitair hoofddocent natuurkunde en de senior auteur van het onderzoek, die is gepubliceerd in Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten . "Om een ​​bruikbaar signaal te krijgen, je moet veel spins detecteren, wat betekent dat je veel materiaal nodig hebt, relatief gezien. Zoveel van het werk dat we nu in de natuurkunde doen, is met dunne films die deel uitmaken van kleine apparaten of materialen met kleine kristallen met vreemde vormen, en in die gevallen is het heel moeilijk om een ​​NMR-signaal te krijgen."

Een deel van het probleem heeft te maken met de geometrie van de sonde die wordt gebruikt om de radiopulsen af ​​te geven en het bijbehorende signaal te detecteren. Het is meestal een solenoïde, een cilindrische draadspiraal waarbinnen het monster wordt geplaatst. Het NMR-signaal is het sterkst wanneer een monster het grootste deel van de beschikbare ruimte in de cilinder in beslag neemt. Maar als het monster klein is in vergelijking met het volume van de cilinder - zoals dunne films en nanomaterialen zouden zijn - verzwakt het signaal tot bijna niets.

Maar de afgelopen jaren Mitrovic's laboratorium in Brown heeft platte NMR-spoelen gebruikt voor een verscheidenheid aan experimenten gericht op het verkennen van exotische materialen en vreemde toestanden van materie. Platte spoelen kunnen direct op of zeer dicht bij een monster worden geplaatst, en daardoor hebben ze geen last van het signaalverlies van een solenoïde. Dit soort NMR-spoelen bestaan ​​al jaren en worden gebruikt voor een aantal specifieke toepassingen in NMR-beeldvorming, Mitrovic zegt, maar ze zijn niet op dezelfde manier gebruikt als haar lab ze heeft gebruikt.

Voor dit laatste onderzoek Mitrovic en haar collega's toonden aan dat platte spoelen niet alleen nuttig zijn bij het versterken van het NMR-signaal, maar dat verschillende geometrieën van platte spoelen het signaal kunnen maximaliseren voor monsters van verschillende vormen en in verschillende soorten experimenten.

Bijvoorbeeld, in experimenten met dunne films van het halfgeleider indiumfosfaat, de onderzoekers toonden aan dat zeer kleine monsters het meeste signaal opleveren wanneer ze in het midden van een flat worden geplaatst, ronde spoel. Voor grotere monsters, en voor experimenten waarbij het belangrijk is om de oriëntatie van het externe magnetische veld te variëren, een meanderlijnvorm (een lijn die een reeks haakse bochten maakt) werkte het beste.

Het vermogen om een ​​signaal te krijgen bij verschillende magnetische veldoriëntaties is belangrijk, zegt Mitrovic. "Er zijn exotische materialen en interessante fysieke toestanden die alleen kunnen worden onderzocht met bepaalde magnetische veldoriëntaties, "zei ze. "Dus weten hoe we onze sonde daarvoor kunnen optimaliseren, is echt nuttig."

Een ander voordeel van platte spoelen is dat het onderzoekers toegang geeft tot hun monster, in tegenstelling tot het opsluiten in een solenoïde.

"Veel van de toestanden waarin we geïnteresseerd zijn, worden veroorzaakt door het monster te manipuleren - er een elektrische stroom op toe te passen of er spanning op uit te oefenen, "Zei Mitrovic. "De platte spoelen maken het veel gemakkelijker om die manipulaties uit te voeren."

Mitrovic hoopt dat de begeleiding die dit onderzoek biedt bij het optimaliseren van platte spoelen nuttig zal zijn voor andere natuurkundigen die geïnteresseerd zijn in het gebruik van NMR om exotische materialen en toestanden van materie te onderzoeken.