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O desenvolvimento de tumores começa com alterações minúsculas nas células do corpo; a difusão de íons nas menores escalas é decisiva no desempenho das baterias. Até agora a resolução dos métodos de imagem convencionais não foi suficientemente alta para representar estes processos em detalhe. Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveu sensores quânticos de diamante que podem ser usados para melhorar a resolução em imagens magnéticas.
A ressonância magnética nuclear (RMN) é um método de imagem importante em pesquisa que pode ser usado para visualizar tecidos e estruturas sem danificá-los. A técnica é mais conhecida na área médica como Imagem por Ressonância Magnética (MRI), onde o paciente é movido para dentro de um grande ímã sobre uma mesa. O dispositivo de ressonância magnética cria um campo magnético muito forte que interage com os minúsculos campos magnéticos dos núcleos de hidrogênio do corpo. Como os átomos de hidrogênio estão distribuídos de maneira particular entre os diferentes tipos de tecidos, torna-se possível diferenciar órgãos, articulações, músculos e vasos sanguíneos.
Os métodos de RMN também podem ser usados para visualizar a difusão de água e outros elementos. A investigação, por exemplo, envolve frequentemente a observação do comportamento do carbono ou do lítio, a fim de explorar as estruturas de enzimas ou processos em baterias. “Os métodos de RMN existentes fornecem bons resultados, por exemplo, quando se trata de reconhecer processos anormais em colônias celulares”, diz Dominik Bucher, professor de detecção quântica na TUM. “Mas precisamos de novas abordagens se quisermos explicar o que acontece nas microestruturas dentro das células individuais.”
Sensores feitos de diamante
A equipe de pesquisa produziu um sensor quântico feito de diamante sintético para esse fim. “Enriquecemos a camada de diamante, que fornecemos para o novo método de RMN, com átomos especiais de nitrogênio e carbono já durante o crescimento”, explica o Dr. Peter Knittel, do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido (IAF). Após o crescimento, a irradiação de elétrons separa átomos de carbono individuais da estrutura cristalina perfeita do diamante. Os defeitos resultantes organizam-se junto aos átomos de azoto – foi criado um chamado centro de lacunas de azoto. Essas vagas têm propriedades mecânicas quânticas especiais necessárias para a detecção. “Nosso processamento do material otimiza a duração dos estados quânticos, o que permite que os sensores façam medições por mais tempo”, acrescenta Knittel.
Sensores quânticos passam no primeiro teste
O estado quântico dos centros de vacância de nitrogênio interage com os campos magnéticos. “O sinal de ressonância magnética da amostra é então convertido em um sinal óptico que podemos detectar com um alto grau de resolução espacial”, explica Bucher.
Para testar o método, os cientistas do TUM colocaram um microchip com canais microscópicos cheios de água no sensor quântico de diamante. “Isso nos permite simular microestruturas de uma célula”, diz Bucher. Os pesquisadores conseguiram analisar com sucesso a difusão das moléculas de água dentro da microestrutura.
Na próxima etapa, os pesquisadores querem desenvolver ainda mais o método para permitir a investigação de microestruturas em células vivas individuais, seções de tecido ou a mobilidade iônica de materiais de película fina para aplicações em baterias. “A capacidade das técnicas de RMN e RM de detectar diretamente a mobilidade de átomos e moléculas torna-as absolutamente únicas em comparação com outros métodos de imagem”, diz o Prof. Maxim Zaitsev, da Universidade de Freiburg. “Agora encontramos uma maneira de melhorar significativamente a resolução espacial, que atualmente é muitas vezes considerada insuficiente, no futuro.”
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