D'abord largement utilisé au milieu du 20e siècle, la résonance magnétique nucléaire (RMN) est devenue depuis une technique indispensable pour examiner les matériaux jusqu'à leurs atomes, révélant la structure moléculaire et d'autres détails sans interférer avec le matériau lui-même.

"C'est une technique largement utilisée en analyse chimique, caractérisation des matériaux, IRM—situations dans lesquelles vous effectuez une analyse non invasive, mais avec des détails atomiques et moléculaires, ", a déclaré Songi Han, professeur de chimie à l'UC Santa Barbara. En plaçant un échantillon dans un champ magnétique puissant, puis en le sondant avec des ondes radio, les scientifiques peuvent déterminer à partir de la réponse des noyaux oscillants dans les atomes du matériau la structure moléculaire du matériau.

"Toutefois, le problème avec la RMN est que parce que c'est une technique à faible énergie, ce n'est pas très sensible, " dit Han. " C'est très détaillé, mais vous n'obtenez pas beaucoup de signal." En conséquence, de grandes quantités d'échantillons peuvent être nécessaires par rapport à d'autres techniques, et la faiblesse générale des signaux rend la RMN moins qu'idéale pour étudier des processus chimiques complexes.

Un remède à cette situation réside dans la polarisation nucléaire dynamique (DNP), une technique populaire dans laquelle l'énergie est « empruntée » à des électrons proches pour améliorer le signal émanant des noyaux.

"Les électrons ont une énergie beaucoup plus élevée que les noyaux, " expliqua Han. Construit dans des molécules "radicales" spécialement conçues, la polarisation de ces électrons non appariés est transférée aux noyaux pour améliorer leur signal.

Un sujet aussi brûlant que DNP est devenu au cours de la dernière décennie, cependant, Han pense que nous ne faisons qu'effleurer la surface.

"Malgré que DNP change fondamentalement le paysage de la RMN, à la fin de la journée, seule une poignée d'agents polarisants de créateurs ont été utilisés, " dit Han. " Un agent polarisant a été utilisé pour polariser les noyaux d'hydrogène, mais la puissance de DNP est plus grande que cela. En principe, de nombreuses autres sources de spin électronique peuvent polariser de nombreux autres types de spin nucléaire."

Dans un article publié dans la revue Chimie , Han et ses collègues repoussent les limites de la RMN avec la première démonstration de la polarisation nucléaire dynamique à l'aide du métal de transition vanadium (IV). Selon Han, leur nouvelle approche - surnommée " spectroscopie DNP hyperfine " - offre un aperçu de la chimie locale généralement obscure autour des métaux de transition, qui sont importants pour des processus tels que la catalyse et les réactions de réduction-oxydation.

« Maintenant, nous pourrons peut-être utiliser des métaux endogènes présents dans les catalyseurs et dans de nombreux autres matériaux importants, " Han a dit, sans avoir à ajouter d'agents polarisants - ces molécules radicalaires - pour produire un signal RMN plus fort.

L'ironie avec les métaux de transition comme le vanadium et le cuivre, Han a expliqué, est que ces atomes ont tendance à être des centres fonctionnels, des endroits où se déroule une chimie importante.

"Et ces centres d'action exacts et ces centres fonctionnels ont été très difficiles à analyser (avec la RMN) car ils ont tendance à devenir invisibles, " dit-elle. Les spins des électrons dans le métal de transition ont tendance à raccourcir la durée de vie du signal RMN, elle a expliqué, les faire disparaître avant qu'ils ne puissent être détectés.

Ce ne serait pas la première fois que la chimie autour des métaux de transition serait observée, Han a dit, pointant vers des études qui ont examiné les environnements chimiques autour du gadolinium et du manganèse. Mais l'instrument disponible dans le commerce utilisé dans ces études offrait « une vue très étroite ».

"Mais il y a beaucoup plus de métaux qui sont beaucoup plus importants pour la chimie, ", a-t-elle déclaré. "Nous avons donc développé et optimisé une instrumentation qui améliore la plage de fréquences, de la portée très étroite d'un instrument commercial à une plage beaucoup plus large."

Avec leur spectroscopie DNP hyperfine, les chercheurs ont également découvert que le signal est en effet effacé dans une certaine région autour du métal appelée barrière de diffusion de spin, mais si les noyaux sont situés en dehors de cette zone, le signal devient visible.

"Il existe des moyens d'alléger cet environnement, mais il faut savoir comment et pourquoi, " Han a dit, ajoutant que les co-auteurs principaux de l'article, Sheetal Kumar Jain de l'UC Santa Barbara et Chung-Jui Yu de la Northwestern University continueront d'explorer et d'appliquer cette nouvelle méthode tout en poursuivant leur carrière universitaire et de recherche.