Depuis des décennies, les scientifiques ont utilisé des techniques telles que la cristallographie aux rayons X et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour obtenir un aperçu inestimable de la structure atomique des molécules. De tels efforts ont longtemps été entravés par le fait qu'ils exigent de grandes quantités d'une molécule spécifique, souvent sous forme ordonnée et cristallisée, pour être efficace, ce qui rend pratiquement impossible l'examen de la structure de la plupart des molécules.

Des chercheurs de Harvard affirment que ces problèmes pourraient bientôt appartenir au passé.

Une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur de physique et de physique appliquée Amir Yacoby, a développé un système d'imagerie par résonance magnétique (IRM) capable de produire des images à l'échelle nanométrique, et pourrait un jour permettre aux chercheurs de scruter la structure atomique de molécules individuelles. Leur travail est décrit dans un article du 23 mars dans Nature Nanotechnology.

"Ce que nous avons démontré dans ce nouvel article, c'est la capacité d'obtenir une très haute résolution spatiale, et une technologie IRM pleinement opérationnelle, " Yacoby a déclaré. "Ce travail vise à obtenir des informations détaillées sur la structure moléculaire. Si nous pouvons imager une seule molécule et identifier qu'il y a un atome d'hydrogène ici et un carbone là… nous pouvons obtenir des informations sur la structure de nombreuses molécules qui ne peuvent être imagées par aucune autre technique aujourd'hui. »

Bien qu'il ne soit pas encore assez précis pour capturer des images à l'échelle atomique d'une seule molécule, le système a déjà été utilisé pour capturer des images de spins d'électrons uniques. Au fur et à mesure que le système s'affine, Yacoby a déclaré qu'il s'attend à ce qu'il soit finalement suffisamment précis pour scruter la structure des molécules.

Alors que le système conçu par Yacoby et ses collègues fonctionne à peu près de la même manière que les IRM conventionnelles, les similitudes s'arrêtent là.

"Ce que nous avons fait, essentiellement, est de prendre une IRM conventionnelle et de la miniaturiser, " Yacoby a dit. " Fonctionnellement, il fonctionne de la même manière, mais en faisant ça, nous avons dû changer certains composants, et cela nous a permis d'atteindre une résolution bien supérieure à celle des systèmes conventionnels."

Yacoby a déclaré que si les systèmes conventionnels peuvent atteindre des résolutions de moins d'un millimètre, ils sont effectivement limités par le gradient de champ magnétique qu'ils peuvent produire. Étant donné que ces gradients s'estompent considérablement en quelques mètres, les systèmes conventionnels construits autour d'aimants massifs sont conçus pour créer un champ suffisamment grand pour imager un objet, comme un humain, qui peut mesurer un mètre ou plus.

Le système nanométrique conçu par Yacoby et ses collègues, par comparaison, utilise un aimant de seulement 20 nanomètres de diamètre - environ 300 fois plus petit qu'un globule rouge - mais est capable de générer un gradient de champ magnétique 100, 000 fois plus grand que même les systèmes conventionnels les plus puissants.

La différence, Yacoby a expliqué, est que l'aimant nanométrique peut être incroyablement rapproché, à quelques milliardièmes de mètre, à l'objet photographié.

"En faisant cela, nous pouvons atteindre une résolution spatiale bien meilleure qu'un nanomètre, " il a dit.

Les dérogations aux systèmes d'IRM conventionnels, cependant, ne s'est pas arrêté là.

Pour construire un capteur capable de lire comment les molécules réagissent à ce gradient de champ magnétique, Yacoby et ses collègues se sont tournés vers un domaine qui semblerait sans rapport avec l'imagerie :l'informatique quantique.

Utilisation ultra-pure, diamants cultivés en laboratoire, l'équipe a fraisé de minuscules appareils, dont chacun se terminait par une pointe ultra-fine, et incrusté une impureté à l'échelle atomique, appelé centre de manque d'azote (NV) dans chaque pointe, créer un seul bit quantique, ou qubit, le bloc de construction essentiel de tous les ordinateurs quantiques.

Dans des expériences publiées l'année dernière, Yacoby et ses collaborateurs ont montré que lorsque la pointe était balayée sur la surface d'un cristal de diamant, le bit quantique a interagi avec les spins des électrons près de la surface du cristal. Ces interactions pourraient ensuite être utilisées pour créer une image de spins électroniques individuels. Cependant, tandis que la sensibilité du capteur de bits quantiques est suffisante pour détecter les spins d'électrons individuels et représente un bond en avant par rapport aux efforts antérieurs, sa résolution spatiale est limitée par sa distance par rapport à l'objet photographié.

Pour créer de véritables images 3D, Yacoby et ses collègues ont combiné l'approche de détection de bits quantiques avec le gradient à grand champ en rapprochant le nano-aimant de l'échantillon d'intérêt et du capteur qubit. En scannant l'aimant en 3-D, mais très proche de l'échantillon, ils ont pu détecter des spins d'électrons individuels lorsqu'ils réagissaient au champ magnétique.

"C'est vraiment un jeu de rapprocher à la fois l'aimant très près pour générer de grands gradients, et en rapprochant le détecteur pour obtenir des signaux plus importants, " Yacoby a déclaré. "C'est cette combinaison qui nous donne à la fois la résolution spatiale et la détectabilité.

"Notre système actuel est déjà capable d'imager des spins d'électrons individuels avec une résolution inférieure au nm [subnanomètre], " dit-il. " Le but, finalement, est de mettre une molécule à proximité de notre centre NV pour essayer de voir les composants au sein de cette molécule, à savoir les spins nucléaires des atomes individuels qui le composent. Ce n'est en aucun cas une tâche facile, puisque le spin nucléaire génère un signal qui est 1, 000 fois plus petit que celui du spin de l'électron… mais c'est là que nous nous dirigeons. »