Teknik gør NMR mere nyttig til nanomaterialer, forskning i eksotisk stof

Kernemagnetisk resonans (NMR) er et kraftfuldt videnskabeligt værktøj, der bruges til medicinsk billeddannelse og til at undersøge den kemiske struktur af molekyler og forbindelser. Ny forskning fra Brown University viser en teknik, der hjælper med at tilpasse NMR til at studere de fysiske egenskaber af tynde film, todimensionale nanomaterialer og eksotiske tilstande af stof.

NMR indebærer at anvende et stærkt magnetfelt til at prøve og derefter zappe det med pulser af radiobølger. Magnetfeltet justerer de magnetiske øjeblikke, eller "spins, "af atomkerner i prøven. Radiobølgerne vil vende spinnene af bestemte kerner i den modsatte retning, afhængigt af bølgernes frekvens. Forskere kan bruge signalet forbundet med spin -flips ved forskellige frekvenser til at oprette billeder eller til at bestemme en prøves molekylære struktur.

"NMR er en meget nyttig teknik, men det signal du får er meget svagt, "sagde Vesna Mitrovic, en lektor i fysik og seniorforfatteren af ​​forskningen, som udgives i Gennemgang af videnskabelige instrumenter . "For at få et brugbart signal, du skal opdage mange spins, hvilket betyder, at du har brug for meget materiale, relativt set. Så meget af det arbejde, vi udfører nu inden for fysik, er med tynde film, der er en del af små enheder eller materialer, der har små krystaller med ulige former, og det er virkelig svært at få et NMR -signal i disse tilfælde. "

En del af problemet har at gøre med sondens geometri, der bruges til at levere radioimpulser og detektere det tilhørende signal. Det er normalt en solenoid, en cylindrisk trådspole, inden i hvilken prøven er placeret. NMR -signalet er stærkest, når en prøve optager det meste af den ledige plads inde i cylinderen. Men hvis prøven er lille i forhold til cylinderens volumen - som tynde film og nanomaterialer ville være - svækkes signalet til næsten ingenting.

Men i de sidste par år har Mitrovics laboratorium i Brown har brugt flade NMR -spoler til en række eksperimenter med det formål at udforske eksotiske materialer og mærkelige tilstande. Flade spoler kan placeres direkte på eller meget tæt på en prøve, og som et resultat lider de ikke af signalet tab af en solenoid. Disse typer af NMR -spoler har eksisteret i årevis og brugt til nogle specifikke applikationer inden for NMR -billeddannelse, Mitrovic siger, men de er ikke blevet brugt på samme måde som hendes laboratorium har brugt dem.

For denne seneste forskning, Mitrovic og hendes kolleger viste, at flade spoler ikke kun er nyttige til at øge NMR -signalet, men at forskellige geometrier af flade spoler kan maksimere signal for prøver af forskellige former og i forskellige typer af eksperimenter.

For eksempel, i forsøg med tyndfilm af halvlederindiumphosphat, forskerne viste, at meget små prøver giver mest signal, når de placeres i midten af ​​lejligheden, cirkulær spole. For større prøver, og for eksperimenter, hvor det er vigtigt at variere orienteringen af ​​det eksterne magnetfelt, en meander-line form (en linje, der laver en række retvinklede sving) fungerede bedst.

Evnen til at få et signal ved forskellige magnetfeltorienteringer er vigtig, Siger Mitrovic. "Der er eksotiske materialer og interessante fysiske tilstande, der kun kan sonderes med visse magnetfeltorienteringer, "sagde hun." Så det er virkelig nyttigt at vide, hvordan vi kan optimere vores sonde til det. "

En anden fordel ved flade spoler er, at det giver eksperimenter adgang til deres prøve, i modsætning til at have det buret inde i en solenoid.

"Mange af de stater, vi er interesserede i, induceres ved at manipulere prøven - anvende en elektrisk strøm til den eller påføre den en stress, "Sagde Mitrovic." De flade spoler gør det meget lettere at kunne udføre disse manipulationer. "

Mitrovic håber, at den vejledning, denne forskning giver, i hvordan man optimerer flade spoler, vil være nyttig for andre fysikere, der er interesseret i at bruge NMR til at undersøge eksotiske materialer og materielle tilstande.