Investigadores de la Universidad de Mainz y Universidad de California, BerkeleyHan logrado importantes avances en el campo de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de campo cero, estableciendo nuevos estándares para calibrar los cálculos de química cuántica.

¿Cuál es la estructura de una molécula en particular? ¿Cómo interactúan las moléculas entre sí? Los investigadores suelen recurrir a la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para responder estas preguntas. La RMN utiliza un fuerte campo magnético externo para alinear los espines de los núcleos atómicos. Luego, estos espines alineados son inducidos a girar por un campo magnético oscilante débil generado por las bobinas.

El cambio de voltaje resultante se puede convertir en frecuencias mensurables. En consecuencia, los investigadores pueden determinar estructuras moleculares y al mismo tiempo revelar cierta información sobre las interacciones de los espines nucleares. Sin embargo, este tipo de investigación requiere campos magnéticos muy fuertes generados por dispositivos voluminosos, difíciles de instalar y mantener. Al mismo tiempo, incluso con equipos tan sofisticados, los núcleos cuadrupolares, el tipo de núcleo más abundante en la naturaleza, siguen siendo difíciles de analizar.

En el caso de la RMN de campo cero, no es necesario un campo magnético externo fuerte. Aquí, los acoplamientos intramoleculares entre los espines de núcleos magnéticamente activos son la interacción mecánica cuántica dominante.

Las líneas espectrales son cada vez más estrechas y nítidas, y las muestras pueden examinarse incluso en recipientes de metal u otros materiales. La tecnología de RMN de campo cero se utiliza para monitorear reacciones en contenedores metálicos o para analizar plantas; También tiene aplicaciones prometedoras en medicina. Pero para poder medir las pequeñas interacciones entre los espines es necesario proporcionar protección contra el campo magnético de la Tierra, lo que es un proyecto complejo en sí mismo.

Una configuración de demostración simple pero más precisa

Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y del Instituto Helmholtz de Mainz (HIM), en colaboración con colegas de la Universidad de California, Berkeley, pudieron medir recientemente núcleos cuadrupolos utilizando RMN sin campo. “Analizamos la molécula de amonio, NH₄⁺“Es un catión que desempeña un papel importante en diversas aplicaciones”, afirmó la Dra. Daniela Barsky, líder del equipo de JU.

“Esperamos que en el futuro podamos detectar estas moléculas incluso en entornos complejos, como reactores y contenedores metálicos”.

Los investigadores pudieron idear un sistema que simplemente implicaba mezclar sales de amonio con agua y agregar cantidades variables de deuterio. Luego se registraron y analizaron los espectros individuales. Para realizar este análisis, los científicos utilizaron un magnetómetro disponible comercialmente, no más grande que una uña, en un sistema analítico compacto construido en casa con un escudo magnético.

Mediciones precisas para probar las teorías existentes.

Los investigadores también investigaron otra pregunta interesante: ¿En qué medida el número de átomos de deuterio en una molécula de amonio afecta el espectro de relajación y las propiedades de los espines?

Como señaló Roman Picasso Frutos, estudiante del Instituto Universitario de Física Jean-Jordan Giovanni y autor principal de la publicación correspondiente: “Con nuestro método, es posible determinar las frecuencias de resonancia con un nivel de precisión muy alto. Los resultados producidos por esta técnica se pueden comparar con otros datos experimentales y se pueden utilizar para calibrar “cálculos de química cuántica. Esperamos que nuestro sistema se convierta en una práctica estándar en un futuro próximo”.

Aunque las predicciones basadas en teorías actuales se correlacionan estrechamente con los hallazgos del equipo, existen pequeñas desviaciones. El profesor Dmitri Bodker de la Universidad Janata Johansson concluyó: “El trabajo realizado por el equipo ha ampliado significativamente la gama de moléculas que pueden analizarse mediante técnicas de RMN desde cero hasta un campo muy bajo. Esto también puede contribuir al desarrollo de aplicaciones innovadoras que puedan ser analizadas. utilizarse para investigar los núcleos de los átomos”. con números atómicos pequeños a través de la desintegración radiactiva gamma.

Referencia: “Espectroscopia J de campo cero de núcleos cuadrupolares” de Roman Picasso-Frutos y Kirill F. Schipperstoff, John W. Blanchard, Erik van Dijk, Moritz Reh, Tobias Sjolander, Alexander Baines, Dimitri Bodker y Daniela A. Barsky, 27 de mayo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48390-2