EO

MRI op atomaire schaal (video)

02 januari 2020 om 09:50 uur

Tim Taminiau (l), Mohamed Abobeih en Joe Randall (r) in het lab met een 3D model van de spins in de diamantstructuur, in kaart gebracht met behulp van de nieuwe methode (schaal 250.000.000 : 1).

Onderzoekers van QuTech ( TU Delft + TNO) hebben met behulp van kwantumtechnologie een magnetische beeldvormingstechniek ontwikkeld die 3D-beelden kan maken met atomaire resolutie. De methode opent de deur naar het in kaart brengen van individuele moleculen, zoals eiwitten, en andere complexe systemen, atoom voor atoom.


De resultaten zijn gepubliceerd in Nature. De publicatie is een samenwerking tussen QuTech en Element Six, die de ultrazuivere diamanten hebben gekweekt.

 

Magnetic Resonance Imaging (MRI) en Nuclear Magnetic Resonance (NMR) zijn krachtige en veelgebruikte beeldvormingstechnieken in de materiaalkunde, biologie, chemie en geneeskunde. Deze methoden maken gebruik van het feit dat veel atoomkernen een eigenschap hebben die spin genoemd wordt. Atoomkernen gedragen zich als kleine magneten die magnetische velden genereren. Deze velden kunnen met behulp van antennes worden gedetecteerd.


Magnetische beeldvorming is niet-invasief, kan verschillende soorten atomen onderscheiden, en werkt onder een breed scala aan omstandigheden, ook bij kamertemperatuur. Maar de huidige methoden beperken zich tot het nemen van een gemiddelde over grote volumes met grote hoeveelheden atomen, en het is niet mogelijk om individuele moleculen of nanostructuren in beeld te brengen. Onderzoekers van QuTech hebben nu een belangrijke stap gezet om die beperking te overwinnen.

 

Kwantum sensoren

"Ons werk is gebaseerd op het zogeheten NV-centrum", vertelt eerste auteur Mohamed Abobeih. "Dit NV-centrum komt van nature voor in diamant: één stikstofatoom neemt de plek van twee koolstofatomen in, waardoor er een ‘gat' ontstaat waarin een enkele elektronenspin vast komt te zitten. Deze elektronenspin gebruiken we als een soort kwantumsensor. Door dit elektron precies te manipuleren kunnen we selectief de kleine magnetische velden oppakken die door kernen in de omgeving worden gecreëerd."


"Bij QuTech gebruiken we deze NV-centra meestal als kwantumbits, de bouwstenen voor toekomstige kwantumcomputers en het kwantuminternet. Maar dezelfde eigenschappen die NV-centra goede kwantumbits maken, maken ze ook tot goede kwantumsensoren", aldushoofdonderzoeker Tim Taminiau.

 

3D-beeldvorming

Taminiau zegt dat zijn team voortbouwt op eerder onderzoek waarbij goed geïsoleerde nucleaire spins werden geobserveerd. "Deze eerdere studies gaven aan dat het NV-centrum gevoelig genoeg is om de piepkleine signalen van individuele kernen te detecteren. Maar voor het afbeelden van complexe systemen zoals moleculen is het niet voldoende om kernspins alleen maar te detecteren. Je moet de positie van alle spins precies bepalen, en dit was het doel van ons onderzoek."


Co-auteur Joe Randall: "We hebben een methode ontwikkeld om de 3D-structuur van complexe spinsystemen te verkrijgen. Elke kernspin voelt het magnetische veld van alle andere kernspins. Deze interacties hangen af van de precieze posities van de atomen en coderen dus de ruimtelijke structuur. Twee atomen die dichter bij elkaar liggen, hebben bijvoorbeeld een sterkere interactie. We hebben methoden ontwikkeld om deze interacties nauwkeurig te meten en ze om te zetten in een volledig 3D-beeld met atomaire resolutie."

 

Resolutie op atomaire schaal

Om hun methode te testen, pasten de onderzoekers het toe op een cluster van 27 koolstof-13 atomen in een zeer zuivere diamant. Deze structuur biedt een modelsysteem voor een molecuul. Na het meten van meer dan 150 interacties tussen de kernen en het uitvoeren van een intensief numeriek reconstructiealgoritme, werd de volledige 3D-structuur verkregen met een ruimtelijke precisie die veel kleiner is dan de grootte van een atoom.

 

Beeldvorming buiten de diamant

De volgende stap is het in kaart brengen van structuren buiten de diamant door NV-centra dicht bij de oppervlakte te brengen. Het uiteindelijke doel is om individuele moleculen, zoals eiwitten, en de kleinste onderdelen van kwantumcomputers, met atomaire resolutie in beeld te brengen.
 

 

Gerelateerd nieuws

Fosfaatglas met vliegas toont onverwachte eigenschappen

Fosfaatglas met vliegas vertoont onverwachte eigenschappen

Glas is transparant en sterk, maar de smelttemperatuur is hoog en het materiaal is broos. Uit promotieonderzoek van Clarissa Justino de Lima blijkt dat het mogelijk is de eigenschappen te verbeteren. Ze ontwikkelde een…

Deelgebruik beademingsmachines mogelijk in noodsituaties

Deelgebruik beademingsmachines mogelijk in noodsituaties

Twee patiënten die tegelijk gebruik maken van één beademingsmachine, ook wel ‘splitting the ventilator’: in noodsituaties rondom de Covid-19 crisis is het een reële optie om het tekort aan deze machines het hoofd…

Met een lab in de cloud kun je ontwikkelen vanuit huis

Met een lab in de cloud kun je ontwikkelen vanuit huis

De Californische startup Strateos werkt aan robotlaboratoria in - of liever gezegd: via - de cloud, zodat chemici en biologen vanuit huis nieuwe medicijnen kunnen ontwikkelen. Dit is niet alleen handig voor in tijden van…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

1 april 2020, online: additiveworld.com

Additive World Conference

Industrieel 3D-printconferentie

9 april 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

9 en 16 april 2020 (avond) 1 dag of 2 avonden 09.00-16.00 uur incl. lunch of 17.00-21.30 uur incl....

22 april 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

22, 23, 29, 30 april 2020

Meer agendapunten »