Het klinkt misschien tegenstrijdig, maar diamanten zijn de sleutel tot een nieuwe techniek die een zeer goedkoop alternatief zou kunnen bieden voor medische beeldvormings- en medicijndetectieapparatuur van miljoenen dollars.

Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley van het Department of Energy heeft ontdekt hoe defecten in diamanten op nanoschaal en microschaal kunnen worden benut en mogelijk de gevoeligheid van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en nucleaire magnetische resonantie (NMR) kan worden verbeterd. ) systemen terwijl de noodzaak voor hun dure en omvangrijke supergeleidende magneten wordt geëlimineerd.

"Dit is een al lang bestaand onopgelost probleem in ons vakgebied, en we waren in staat om een ​​manier te vinden om het te overwinnen en om te laten zien dat de oplossing heel eenvoudig is, " zei Ashok Ajoy, een postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en de afdeling Chemie van UC Berkeley, die als hoofdauteur van de studie diende. "Niemand heeft dit ooit eerder gedaan. Het mechanisme dat we ontdekten is volledig nieuw."

MRI-machines worden gebruikt om kankertumoren te lokaliseren en te helpen bij de ontwikkeling van behandelplannen, terwijl NMR-machines worden gebruikt om de atomaire structuur en chemie van medicijnverbindingen en andere moleculen te onderzoeken.

De nieuwe techniek, beschreven in de editie van 18 mei van de wetenschappelijke vooruitgang logboek, zou kunnen leiden tot het directe gebruik van deze kleine diamanten voor snelle en verbeterde biologische beeldvorming. Onderzoekers zullen ook proberen deze speciale afstemming over te brengen, bekend als spinpolarisatie, tot een onschadelijke vloeistof zoals water, en om de vloeistof in een patiënt te injecteren voor snellere MRI-scans. Het grote oppervlak van de kleine deeltjes is de sleutel in deze inspanning, onderzoekers opgemerkt.

Het versterken van deze spinpolarisatie in de elektronen van de diamantatomen kan worden vergeleken met het uitlijnen van enkele kompasnaalden die in veel verschillende richtingen in dezelfde richting wijzen. Deze "hypergepolariseerde" spins zouden een scherper contrast kunnen bieden voor beeldvorming dan conventionele supergeleidende magneten.

"Deze belangrijke ontdekking in de hyperpolarisatie van diamanten op nano- en microschaal heeft enorme wetenschappelijke en commerciële implicaties, "Ajoy zei, aangezien sommige van de meest geavanceerde MRI- en NMR-machines ongelooflijk duur en onbereikbaar kunnen zijn voor sommige ziekenhuizen en onderzoeksinstellingen.

"Dit zou kunnen helpen de markt voor MRI en NMR uit te breiden, " hij zei, en kan de apparaten mogelijk ook verkleinen van kamerformaat naar tafelformaat, die "vanaf het begin de droom is geweest." Ajoy is lid van het onderzoekslaboratorium Alex Pines van UC Berkeley. Pines is een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en een pionier in de ontwikkeling van NMR als onderzoeksinstrument.

Wetenschappers hadden moeite om een ​​probleem op te lossen bij het correct oriënteren van de diamanten om een ​​meer uniforme spinpolarisatie te bereiken - en dit probleem was zelfs nog meer uitgesproken in verzamelingen van zeer kleine diamanten die een chaotische wirwar van oriëntaties vertoonden. Eerdere inspanningen, bijvoorbeeld, had onderzocht of het boren van kleine functies in diamantmonsters zou kunnen helpen bij het beheersen van hun spinpolarisatie.

De afstembare spin-eigenschappen in diamanten met defecten die bekend staan ​​​​als stikstofvacatures - waarin stikstofatomen de plaats innemen van koolstofatomen in de kristalstructuur van diamanten - zijn ook bestudeerd voor mogelijk gebruik in kwantumcomputers. In die toepassingen wetenschappers proberen de spinpolarisatie van elektronen te beheersen als een manier om informatie zoals de enen en nullen in meer conventionele magnetische computergegevensopslag te verzenden en op te slaan.

In de laatste studie, wetenschappers ontdekten dat door een verzameling microschaaldiamanten te zappen met groen laserlicht, door het te onderwerpen aan een zwak magnetisch veld, en over het monster vegen met een microgolfbron, ze zouden deze controleerbare spinpolarisatie-eigenschap in de diamanten honderden keren kunnen verbeteren in vergelijking met conventionele MRI- en NMR-machines.

Emanuel Druga, een elektricien in de UC Berkeley College of Chemistry R&D-winkels, bedacht een groot meetinstrument voor de nieuwe techniek die behulpzaam bleek bij het bevestigen en verfijnen van de spinpolarisatie-eigenschappen van de diamantmonsters. "Het stelde ons in staat om dit in ongeveer een week te debuggen, ' zei Ajoy.

Het apparaat hielp onderzoekers om een ​​goede maat te vinden voor de diamantkristallen. Aanvankelijk, ze gebruikten kristallen van ongeveer 100 micron, of 100 miljoenste van een meter breed. De kleine monsters van roze diamanten lijken op fijn rood zand. Na het testen, ze ontdekten dat diamanten van ongeveer 1 tot 5 micron ongeveer twee keer zo goed presteerden.

De kleine diamanten kunnen in economische processen worden vervaardigd door grafiet om te zetten in diamant, bijvoorbeeld.

Het team van wetenschappers heeft al een geminiaturiseerd systeem ontwikkeld dat gebruik maakt van kant-en-klare componenten om het laserlicht te produceren, magnetron energie, en magnetisch veld dat nodig is om de spinpolarisatie in de diamantmonsters te produceren, en ze hebben patenten aangevraagd op de techniek en het hyperpolarisatiesysteem.

"Je zou kunnen denken aan het achteraf uitrusten van bestaande NMR-magneten met een van deze systemen, " zei Raffi Nazaryan, die als niet-gegradueerde onderzoeker bij Berkeley Lab en UC Berkeley aan het onderzoek deelnamen. Prototypes van het systeem kosten slechts enkele duizenden dollars, hij merkte.

Hoewel de spin van korte duur is, onderzoekers zeiden dat ze manieren onderzoeken om de monsters continu te polariseren, en onderzoeken ook hoe deze polarisatie op vloeistoffen kan worden overgedragen. Ajoy zei, "We kunnen de vloeistof mogelijk recyclen zodat deze in een gesloten kringloop stroomt, of blijf nieuw gepolariseerde vloeistof injecteren."