Espectroscopia de RMN de campo zero mede núcleos quadrupolares pela primeira vez

Pesquisadores da Universidade de Mainz e da Universidade da Califórnia, Berkeley, alcançaram um avanço na espectroscopia de ressonância magnética nuclear de campo zero, abrindo caminho para a avaliação comparativa de cálculos de química quântica.

Qual é a estrutura de uma molécula específica? E como as moléculas interagem entre si? ​​Pesquisadores interessados ​​nessas questões frequentemente usam a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) para encontrar respostas. Na RMN, um poderoso campo magnético externo é empregado para alinhar os spins dos núcleos atômicos, que são então induzidos a girar por um campo magnético fraco oscilante gerado por bobinas. Uma mudança na voltagem como resultado pode ser convertida em frequências mensuráveis.

Com base nisso, os pesquisadores podem identificar as estruturas moleculares e, ao mesmo tempo, revelar certas informações sobre as interações do spin nuclear. No entanto, esse tipo de investigação requer campos magnéticos muito fortes gerados por dispositivos massivos, que são difíceis de instalar e manter. Ao mesmo tempo, mesmo com equipamentos tão elaborados, ainda é difícil analisar núcleos quadrupolares, que são o tipo de núcleo mais abundante na natureza.

No caso da ressonância magnética nuclear de campo zero (RMN de campo zero), não há necessidade de um campo magnético externo potente. Aqui, os acoplamentos intramoleculares entre os spins de núcleos magneticamente ativos são a interação mecânica quântica predominante. As linhas espectrais são, portanto, mais estreitas e nítidas, e as amostras podem até ser investigadas em recipientes feitos de metal ou outros materiais.

A espectroscopia de RMN de campo zero agora é usada para monitorar reações em recipientes de metal ou para análise de plantas; ela também tem aplicações promissoras na medicina. No entanto, para poder medir as pequenas interações entre os spins, é necessário fornecer blindagem contra o campo magnético da Terra, o que é um empreendimento complexo por si só.

Configuração experimental simples, porém mais precisa

Pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) e do Instituto Helmholtz de Mainz (HIM), em colaboração com colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley, conseguiram recentemente medir núcleos quadrupolares usando RMN de campo zero.

“Analisamos uma molécula de amônio, NH₄⁺, um cátion que desempenha um papel importante em várias aplicações”, disse a Dra. Danila Barskiy, chefe da equipe da JGU. “Esperamos que no futuro possamos detectar essas moléculas mesmo em ambientes complexos, como reatores e contêineres de metal.”

Os pesquisadores conseguiram elaborar um sistema que envolve simplesmente misturar sais de amônio com água e adicionar várias quantidades de deutério. Os espectros individuais foram então registrados e analisados. Para essa análise, os cientistas usaram um magnetômetro disponível comercialmente — não maior que uma unha — em um sistema analítico compacto feito em casa com blindagem magnética.

Medições de precisão para testar teorias existentes

Os pesquisadores também examinaram outra questão interessante: até que ponto o número de átomos de deutério em uma molécula de amônio influencia o espectro e as características de relaxamento dos spins?

Como Román Picazo-Frutos, um estudante do Instituto de Física da JGU e autor principal da publicação correspondente, destacou, “Usando nosso método, é possível determinar frequências de ressonância com um nível muito alto de precisão. Como os resultados produzidos por essa técnica podem ser comparados com outros dados experimentais, ela pode ser usada para cálculos de benchmarking de química quântica. Esperamos que nosso sistema se torne uma prática padrão em um futuro próximo.”

Embora as previsões baseadas nas teorias atuais estejam intimamente correlacionadas com os resultados obtidos pela equipe, há pequenos desvios.

“O trabalho realizado pela equipe ampliou consideravelmente a gama de moléculas que podem ser analisadas por meio de técnicas de RMN de campo zero a ultrabaixo. Pode até contribuir para o desenvolvimento de aplicações inovadoras que podem ser usadas para investigar os núcleos de átomos com números atômicos pequenos por meio de seu decaimento gama radioativo”, concluiu o professor Dmitry Budker da JGU.

Os resultados da pesquisa foram publicados em Comunicações da Natureza.