Onderzoekers van ICFO hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om zeer zwakke krachten op moleculaire schaal te meten. Dankzij het gebruik van koolstofnanobuisjes, ze hebben het hoogste niveau van gevoeligheid tot nu toe bereikt. Deze resultaten gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie open de deur voor magnetische resonantie beeldvorming van individuele moleculen.

Bestendig dan staal, koolstofnanobuisjes zijn een van de sterkste en hardste materialen die we kennen. Hun indrukwekkende elektrische en thermische eigenschappen maken ze tot een uiterst veelzijdig materiaal. Hol van binnen en slechts één atoom dik, ze lenen zich voor een grote verscheidenheid aan mogelijke toepassingen, van tennisrackets en kogelwerende vesten, elektronische componenten en energieopslagapparaten. Nieuw onderzoek toont aan dat ze mogelijk ook het potentieel hebben voor een revolutie in medisch onderzoek met magnetische resonantiebeeldvorming van individuele moleculen.

Wetenschappers van ICFO-Instituut voor Fotonische Wetenschap, in samenwerking met onderzoekers van het Catalan Institute of Nanotechnology (ICN2) en de University of Michigan, hebben zwakke krachten kunnen meten met een gevoeligheid die 50 keer hoger is dan wat tot nu toe is bereikt. Deze significante verbetering vertegenwoordigt een keerpunt in het meten van zeer zwakke krachten en opent de deur voor magnetische resonantiebeeldvorming op moleculaire schaal. Dr. Adrian Bachtold, die dit onderzoek begon aan het Catalaanse Instituut voor Nanotechnologie voordat hij zijn onderzoeksgroep overdroeg aan ICFO, legt uit in een artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie dat ze in staat waren de koolstofnanobuisjes voor te bereiden om te fungeren als sondes die trillen met een intensiteit die evenredig is aan een elektrostatische kracht. Met het gebruik van ultra-low-noise elektronica, de groep onder leiding van Bachtold was in staat om de amplitude van de trilling van deze nanobuisjes te meten en zo de intensiteit van de elektrostatische kracht te vermoeden.

"Koolstof nanobuisjes zijn vergelijkbaar met gitaarsnaren die trillen als reactie op de uitgeoefende kracht. in het geval van ons experiment, de krachten die de trilling veroorzaken zijn extreem klein, vergelijkbaar met de zwaartekracht die ontstaat tussen twee mensen op 4500 km van elkaar", legt Bachtold uit. In de afgelopen tien jaar hebben wetenschappers slechts bescheiden verbeteringen aangebracht in de gevoeligheid van het meten van zeer zwakke krachten. Deze nieuwe ontdekking markeert een voor en na en wijst erop dat koolstofnanobuisjes een belangrijke rol spelen in toekomstige technologieën voor MRI's van individuele moleculen.

Conventionele magnetische resonantie beeldvorming registreert de spin van atoomkernen door ons hele lichaam die eerder zijn geëxciteerd door een extern elektromagnetisch veld. Gebaseerd op de globale respons van alle atomen, het is mogelijk om de evolutie van bepaalde ziekten te volgen en te diagnosticeren. Echter, deze conventionele diagnostische techniek heeft een resolutie van enkele millimeters. Kleinere objecten hebben een onvoldoende totaal aantal atomen om de responssignalen te kunnen waarnemen.

"De gepresenteerde resultaten zijn veelbelovend voor het meten van de kracht die door elk afzonderlijk atoom wordt gecreëerd en bijgevolg van de spin ervan. In de toekomst zou deze techniek een revolutie teweeg kunnen brengen in de medische beeldvorming", concludeert Bachtold.