Al decenia, wetenschappers hebben technieken zoals röntgenkristallografie en nucleaire magnetische resonantie (NMR) beeldvorming gebruikt om onschatbaar inzicht te krijgen in de atomaire structuur van moleculen. Dergelijke inspanningen werden lange tijd belemmerd door het feit dat ze grote hoeveelheden van een specifiek molecuul vergen, vaak in geordende en gekristalliseerde vorm, om effectief te zijn - waardoor het bijna onmogelijk is om in de structuur van de meeste moleculen te kijken.

Harvard-onderzoekers zeggen dat die problemen binnenkort tot het verleden kunnen behoren.

Een team van wetenschappers, onder leiding van hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde Amir Yacoby, heeft een systeem voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) ontwikkeld dat afbeeldingen op nanoschaal kan produceren, en op een dag kunnen onderzoekers in de atomaire structuur van individuele moleculen kijken. Hun werk wordt beschreven in een artikel van 23 maart in Nature Nanotechnology.

"Wat we in dit nieuwe artikel hebben aangetoond, is het vermogen om een ​​zeer hoge ruimtelijke resolutie te krijgen, en een volledig operationele MRI-technologie, " zei Yacoby. "Dit werk is gericht op het verkrijgen van gedetailleerde informatie over de moleculaire structuur. Als we een enkel molecuul kunnen afbeelden en vaststellen dat er hier een waterstofatoom en daar een koolstofatoom is...

Hoewel het nog niet nauwkeurig genoeg is om beelden op atomaire schaal van een enkel molecuul vast te leggen, het systeem is al gebruikt om afbeeldingen van enkele elektronspins vast te leggen. Naarmate het systeem wordt verfijnd, Yacoby zei dat hij verwacht dat het uiteindelijk precies genoeg zal zijn om in de structuur van moleculen te kijken.

Hoewel het door Yacoby en collega's ontworpen systeem op vrijwel dezelfde manier werkt als conventionele MRI's, daar houden de overeenkomsten op.

"Wat we hebben gedaan, eigenlijk, is om een ​​conventionele MRI te nemen en deze te verkleinen, " zei Yacoby. "Functioneel, het werkt op dezelfde manier, maar door dat te doen, we hebben een aantal componenten moeten veranderen, en dat heeft ons in staat gesteld een veel grotere resolutie te bereiken dan conventionele systemen."

Yacoby zei dat hoewel conventionele systemen resoluties van minder dan een millimeter kunnen bereiken, ze worden effectief beperkt door de magnetische veldgradiënt die ze kunnen produceren. Aangezien die gradiënten dramatisch vervagen binnen slechts een paar meter, conventionele systemen gebouwd rond massieve magneten zijn ontworpen om een ​​veld te creëren dat groot genoeg is om een ​​object - zoals een mens - af te beelden dat een meter of meer lang kan zijn.

Het nanoschaalsysteem bedacht door Yacoby en collega's, ter vergelijking, gebruikt een magneet met een diameter van slechts 20 nanometer - ongeveer 300 keer kleiner dan een rode bloedcel - maar kan een magnetische veldgradiënt genereren 100, 000 keer groter dan zelfs de krachtigste conventionele systemen.

Het verschil, Yacoby legde uit, is dat de magneet op nanoschaal ongelooflijk dichtbij kan worden gebracht, binnen een paar miljardsten van een meter, naar het object dat wordt afgebeeld.

"Door dat te doen, we kunnen een ruimtelijke resolutie bereiken die veel beter is dan één nanometer, " hij zei.

De afwijkingen van conventionele MRI-systemen, echter, eindigde daar niet.

Om een ​​sensor te bouwen die kan lezen hoe moleculen reageren op die magnetische veldgradiënt, Yacoby en collega's wendden zich tot een vakgebied dat geen verband lijkt te houden met beeldvorming:kwantumcomputing.

Met behulp van ultrazuivere, in het laboratorium gekweekte diamanten, het team freesde kleine apparaten, die elk eindigden in een superfijne punt, en ingebed een onzuiverheid op atomaire schaal, een stikstof-leegstand (NV) centrum genoemd in elke tip, het creëren van een enkele kwantumbit, of qubit - de essentiële bouwsteen van alle kwantumcomputers.

In experimenten die vorig jaar werden gepubliceerd, Yacoby en zijn medewerkers toonden aan dat toen de punt over het oppervlak van een diamantkristal werd gescand, het kwantumbit interageerde met elektronenspins nabij het oppervlak van het kristal. Die interacties zouden vervolgens kunnen worden gebruikt om een ​​beeld te creëren van individuele elektronenspins. Echter, terwijl de gevoeligheid van de kwantumbitsensor voldoende is om individuele elektronenspins te detecteren en een kwantumsprong voorwaarts vertegenwoordigt ten opzichte van eerdere inspanningen, de ruimtelijke resolutie wordt beperkt door de afstand tot het object dat wordt afgebeeld.

Om echt 3D-beelden te maken, Yacoby en collega's combineerden de kwantumbit-detectiebenadering met de grootveldgradiënt door de nanomagneet dicht bij zowel het monster van belang als de qubit-sensor te brengen. Door de magneet in 3D te scannen, maar heel dicht bij het monster, ze waren in staat om individuele elektronenspins te detecteren terwijl ze op het magnetische veld reageerden.

"Dit is echt een spel waarbij je de magneet heel dicht bij elkaar brengt om grote gradiënten te genereren, en de detector heel dichtbij brengen om grotere signalen te krijgen, " zei Yacoby. "Het is die combinatie die ons zowel de ruimtelijke resolutie als de detecteerbaarheid geeft.

"Ons huidige systeem is al in staat om individuele elektronenspins in beeld te brengen met sub-nm [subnanometer] resolutie, "zei hij. "Het doel, eventueel, is om een ​​molecuul in de buurt van ons NV-centrum te plaatsen om te proberen de componenten in dat molecuul te zien, namelijk de kernspins van de individuele atomen waaruit het bestaat. Dit is zeker geen gemakkelijke taak, omdat de kernspin een signaal genereert dat gelijk is aan 1, 000 keer kleiner dan die van de elektronenspin … maar dat is waar we naartoe gaan."