Une image microscopique de particules de diamant avec des défauts de lacunes d'azote. Ces échantillons, qui présentent une forme octaédrique tronquée, ont été utilisés dans des expériences qui cherchaient de nouvelles façons de régler et de contrôler une propriété électronique connue sous le nom de polarisation de spin. La barre d'échelle en bas à droite est de 200 microns (millionièmes de pouce). A l'oeil humain, les diamants rosés ressemblent à du sable rouge fin. Crédit :Berkeley Lab, UC Berkeley
Cela peut sembler contradictoire, mais les diamants sont la clé d'une nouvelle technique qui pourrait fournir une alternative à très faible coût aux dispositifs d'imagerie médicale et de découverte de médicaments de plusieurs millions de dollars.
Une équipe internationale dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie et de l'UC Berkeley a découvert comment exploiter les défauts des diamants à l'échelle nanométrique et micrométrique et potentiellement améliorer la sensibilité de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la résonance magnétique nucléaire (RMN ) tout en éliminant le besoin de leurs aimants supraconducteurs coûteux et encombrants.
"C'est un problème non résolu de longue date dans notre domaine, et nous avons pu trouver un moyen de le surmonter et de montrer que la solution est très simple, " dit Ashok Ajoy, chercheur postdoctoral à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et le département de chimie de l'UC Berkeley, qui a été l'auteur principal de l'étude. "Personne n'a jamais fait cela auparavant. Le mécanisme que nous avons découvert est complètement nouveau."
Les appareils d'IRM sont utilisés pour localiser les tumeurs cancéreuses et aider à l'élaboration de plans de traitement, tandis que les machines RMN sont utilisées pour examiner la structure et la chimie à l'échelle atomique des composés médicamenteux et d'autres molécules.
La nouvelle technique, décrit dans l'édition du 18 mai du Avancées scientifiques journal, pourrait conduire à l'utilisation directe de ces minuscules diamants pour une imagerie biologique rapide et améliorée. Les chercheurs chercheront également à transférer ce réglage spécial, connu sous le nom de polarisation de spin, à un fluide inoffensif tel que l'eau, et d'injecter le fluide dans un patient pour des IRM plus rapides. La surface élevée des minuscules particules est la clé de cet effort, les chercheurs ont noté.
L'amélioration de cette polarisation de spin dans les électrons des atomes des diamants peut être comparée à l'alignement d'aiguilles de boussole pointant dans de nombreuses directions différentes vers la même direction. Ces spins "hyperpolarisés" pourraient fournir un contraste plus net pour l'imagerie que les aimants supraconducteurs conventionnels.
"Cette découverte importante dans l'hyperpolarisation des diamants à l'échelle nanométrique et microscopique a d'énormes implications scientifiques et commerciales, " Ajoy a dit, car certaines des machines d'IRM et de RMN les plus avancées peuvent être incroyablement chères et hors de portée pour certains hôpitaux et instituts de recherche.
L'appareil de ce diagramme a été utilisé pour étudier des diamants soumis à une lumière laser verte et à une énergie micro-ondes à faible champ. Après qu'ils aient été pulsés avec de la lumière laser, les échantillons de diamant ont été rapidement hissés jusqu'à un aimant supraconducteur à champ élevé pour mesurer une propriété connue sous le nom d'« hyperpolarisation ». Crédit :Berkeley Lab, UC Berkeley
« Cela pourrait aider à élargir le marché de l'IRM et de la RMN, " il a dit, et pourrait également potentiellement réduire les appareils de la taille d'une pièce à la taille d'un paillasse, ce qui "a été le rêve depuis le début". Ajoy est membre du laboratoire de recherche Alex Pines à l'UC Berkeley—Pines est chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et un pionnier dans le développement de la RMN comme outil de recherche.
Les scientifiques avaient lutté pour surmonter un problème en orientant correctement les diamants pour obtenir une polarisation de spin plus uniforme - et ce problème était encore plus prononcé dans les collections de très petits diamants qui présentaient un fouillis chaotique d'orientations. Des efforts antérieurs, par exemple, avait exploré si le forage de minuscules caractéristiques dans des échantillons de diamant pouvait aider à contrôler leur polarisation de spin.
Les propriétés de spin ajustables des diamants présentant des défauts connus sous le nom de lacunes d'azote - dans lesquelles les atomes d'azote remplacent les atomes de carbone dans la structure cristalline des diamants - ont également été étudiées pour une utilisation potentielle en informatique quantique. Dans ces applications, les scientifiques cherchent à contrôler la polarisation du spin des électrons comme moyen de transmettre et de stocker des informations telles que les uns et les zéros dans un stockage de données informatiques magnétiques plus conventionnel.
Dans la dernière étude, les scientifiques ont découvert qu'en zappant une collection de diamants microscopiques avec une lumière laser verte, le soumettre à un champ magnétique faible, et balayant l'échantillon avec une source de micro-ondes, ils pourraient améliorer cette propriété de polarisation de spin contrôlable dans les diamants des centaines de fois par rapport aux machines IRM et RMN conventionnelles.
Emmanuel Druga, un électricien dans les ateliers de R&D de l'UC Berkeley College of Chemistry, a conçu un grand outil de mesure pour la nouvelle technique qui s'est avéré essentiel pour confirmer et affiner les propriétés de polarisation de spin des échantillons de diamant. "Cela nous a permis de déboguer cela en une semaine environ, " dit Ajoy.
L'appareil a aidé les chercheurs à déterminer une bonne taille pour les cristaux de diamant. En premier, ils utilisaient des cristaux mesurant environ 100 microns, ou 100 millionièmes de mètre de diamètre. Les minuscules échantillons de diamants rosés ressemblent à du sable rouge fin. Après essai, ils ont découvert que les diamants mesurant environ 1 à 5 microns étaient environ deux fois plus performants.
Les minuscules diamants peuvent être fabriqués selon des procédés économiques en convertissant le graphite en diamant, par exemple.
L'équipe de scientifiques a déjà développé un système miniaturisé qui utilise des composants standard pour produire la lumière laser, énergie micro-ondes, et le champ magnétique requis pour produire la polarisation de spin dans les échantillons de diamant, et ils ont déposé des brevets sur la technique et le système d'hyperpolarisation.
"Vous pourriez penser à moderniser les aimants RMN existants avec l'un de ces systèmes, " a déclaré Raffi Nazaryan, qui a participé à l'étude en tant que chercheur de premier cycle au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley. Les prototypes du système ne coûtent que plusieurs milliers de dollars, il a noté.
Alors que la rotation est de courte durée, les chercheurs ont déclaré qu'ils exploraient des moyens de polariser en permanence les échantillons, et recherchent également comment transférer cette polarisation aux liquides. Ajoy a dit, "On pourrait potentiellement recycler le liquide pour qu'il s'écoule en boucle fermée, ou continuez à injecter du liquide nouvellement polarisé."
