¿Cuál es la estructura de una molécula en particular? ¿Y cómo interactúan las moléculas entre sí?
Los investigadores interesados en estas preguntas suelen utilizar la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para encontrar respuestas. En RMN, se utiliza un fuerte campo magnético externo para alinear los espines de los núcleos atómicos, que luego son inducidos a girar por el débil campo magnético producido por la bobina. El cambio de voltaje resultante se puede convertir en una frecuencia mensurable. Sobre esta base, los investigadores pueden identificar estructuras moleculares y al mismo tiempo revelar cierta información sobre las interacciones del espín nuclear. Sin embargo, este tipo de investigación requiere campos magnéticos muy fuertes generados por equipos de gran tamaño, que a su vez son difíciles de instalar y mantener. Al mismo tiempo, es difícil analizar los núcleos cuadrupolares, que son los más abundantes en la naturaleza, incluso con instrumentos tan elaborados.
En el caso de la resonancia magnética nuclear de campo cero (RMN de campo cero), no se requiere ningún campo magnético externo fuerte. Aquí, los acoplamientos intermoleculares entre los espines de núcleos magnéticamente activos son las interacciones mecánicas cuánticas dominantes. Así, las líneas espectrales son estrechas y nítidas, y las muestras pueden examinarse incluso en recipientes de metal u otros materiales. La espectroscopia de RMN de campo cero se utiliza ahora para controlar reacciones en contenedores metálicos o para analizar plantas. También tiene aplicaciones prometedoras en medicina. Sin embargo, para medir pequeñas interacciones entre espines, es necesario proporcionar protección contra el campo magnético de la Tierra, una tarea compleja en sí misma.
Configuración experimental más simple pero más precisa
Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y del Instituto Helmholtz de Mainz (HIM), junto con colegas de la Universidad de California en Berkeley, han logrado medir recientemente núcleos cuadrupolares mediante RMN de campo cero.
“Analizamos una molécula de amonio, NH.4+“Un catión que desempeña un papel importante en diversas aplicaciones”, afirmó la jefa del equipo del JGU, la Dra. Daniela Barsky. “Esperamos que en el futuro podamos detectar estas moléculas también en entornos complejos, como por ejemplo en reactores y contenedores metálicos. “
Los investigadores pudieron idear un sistema que simplemente implicaba mezclar sales de amonio en agua y agregar cantidades variables de deuterio. Luego se registraron y analizaron los espectros individuales. Para este análisis, los científicos utilizaron un magnetómetro disponible comercialmente (no más grande que una uña) en un sistema analítico compacto casero con blindaje magnético.
Medidas válidas para probar teorías existentes.
Los investigadores también examinaron otra pregunta interesante: ¿En qué medida el número de átomos de deuterio en una molécula de amonio afecta las propiedades de relajación espectral y rotacional? Como señaló Román Picazo-Frutos, estudiante del Instituto de Física JGU y autor principal de la misma publicación: “Con nuestro método, es posible determinar la frecuencia de resonancia con un nivel de precisión muy alto. En comparación con otros datos experimentales, se puede utilizar para cálculos de química cuántica. Esperamos que nuestro sistema se convierta en una práctica estándar en un futuro próximo”.
Aunque las predicciones basadas en teorías existentes se correlacionan estrechamente con los resultados obtenidos por el equipo, existen pequeñas desviaciones. “El trabajo realizado por el equipo ha ampliado enormemente la gama de moléculas que pueden analizarse mediante técnicas de RMN de campo cero a ultrabajo. También puede contribuir al desarrollo de aplicaciones avanzadas que pueden utilizarse para sondear los núcleos de átomos con números atómicos más pequeños debido a su desintegración gamma radiactiva”, concluyó el profesor Dmitri Budkar de la JGU.
Se han publicado los resultados de la investigación. Comunicaciones de la naturaleza.
