Noticias en la página Axxón Página Axxón

27/Jul/04

Microscopía y resonanacia magnética que discrimina partículas

Los científicos de IBM han logrado un avance revolucionario en la tecnología de imágenes de resonancia magnética (magnetic resonance imaging / MRI) a nanoescala, al detectar directamente la débil señal magnética de un solo electrón enterrado en una muestra maciza.

(Gacetilla) Este logro constituye un gran hito en el camino hacia la creación de un microscopio capaz de ofrecer imágenes tridimensionales de moléculas con resolución atómica. El éxito en esta búsqueda debería tener gran impacto en el estudio de los materiales —desde proteínas y fármacos hasta circuitos integrados y catalizadores industriales— para los cuales resulta esencial una comprensión cabal de la estructura atómica. Conocer la ubicación exacta de los átomos específicos dentro de diminutas estructuras nanoelectrónicas, por ejemplo, mejorará el discernimiento de los diseñadores respecto de su fabricación y realización. La capacidad de proporcionar imágenes directas de la estructura atómica detallada de las proteínas contribuiría al desarrollo de nuevas drogas.

"A lo largo de la historia, la capacidad de ver la materia con más claridad siempre ha permitido importantes descubrimientos y hallazgos ", comentó Daniel Rugar, gerente de estudios a nanoescala del Centro de Investigación Almaden de IBM ubicado en San José (California). "Esta nueva capacidad debería conducir a mejoras fundamentales en la nanotecnología y la biología.”

Rugar lidera el equipo de científicos que durante más de una década obtuvo avances pioneros en el método de imágenes de resonancia magnética a nanoescala llamado microscopio de fuerza de resonancia magnética (magnetic resonance force microscopy /MRFC). Su equipo ha mejorado la sensibilidad de la tecnología MRI aproximadamente 10 millones de veces, en comparación con los dispositivos médicos de resonancia magnética utilizados para visualizar los órganos del cuerpo humano. La mayor sensibilidad extiende MRI al reino nanométrico. (Un nanómetro es una mil-millonésima parte de un metro, o la longitud que cubren aproximadamente 5-10 átomos.)

IBM Research tiene una distinguida historia en el desarrollo de microscopios para imágenes y ciencia a nanoescala. Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, del Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, recibieron el Premio Nobel de Física 1986 por la invención del microscopio con efecto túnel de barrido (scanning tunneling microscope), capaz de mostrar átomos individuales en superficies conductoras de electricidad. Binnig más tarde inventó el microscopio de fuerza atómica (atomic force microscope / AFM), que utilizó la atracción entre un cantilever y las características de la superficie sobre superficies no conductoras. Los científicos de IBM y de otras empresas modificaron y extendieron el diseño AFM para visualizar imágenes de fuerza superficial tales como el magnetismo, la fricción y la atracción electrostática con resolución nanométrica. MRFM combina los conceptos de AFM y MRI para permitir la resolución nanométrica de características de hasta 100 nanómetros de profundidad dentro de una muestra.

El equipo IBM formado por Rugar, John Mamin, Raffi Budakian y Benjamain Chui publicó sus resultados con un único electrón en la edición del 15 de julio de la publicación científica Nature. Esta investigación es financiada en parte con fondos de la Agencia para Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de los EEUU.

Detalles técnicos

La característica central de un dispositivo MRFM es un "microcantilever” (microménsula) microscópica de silicio que parece un diminuto trampolín mil veces más delgado que un cabello humano. Vibra a una frecuencia aproximada de 5.000 veces por segundo, y lleva en su punta una partícula magnética pequeña pero potente.

Los electrones aislados ("no apareados”) y muchos núcleos de átomos se comportan como diminutos imanes de barra. Estas unidades fundamentales del magnetismo suelen llamarse "spins”. Así como dos imanes pueden atraerse o repelerse, la punta magnética de MRFM es atraída o repelida por los spins en la muestra. Al ajustar un campo magnético de alta frecuencia oscilante a la frecuencia natural de precesión del spin cuya imagen se muestra, su orientación magnética va y viene a medida que vibra el cantilever. A pesar de que la fuerza magnética entre la punta magnética y el spin es excesivamente pequeña (menos de una millonésima de una billonésima de una libra), el cantilever es tan sensible que el movimiento del spin genera un cambio detectable en la frecuencia de vibración del cantilever.

Mientras que la resonancia magnética en el campo de la medicina mira grupos de por lo menos 1 billón de spins de protón, los investigadores de IBM han detectado la señal mucho más débil de un solo spin de electrón. Los investigadores también demostraron imágenes rudimentarias (de una sola dimensión) con resolución de 25 nanómetros, cerca de 40 veces mejor que los mejores microscopios convencionales basados en MRI.

La investigación futura que encabeza Rugar apunta a mejorar aún más la sensibilidad, resolución y velocidad de la técnica MRFM para que pueda detectar protones asilados y otros núcleos, tales como carbono-13, que puede usarse para revelar las estructuras moleculares. (La señal magnética de un solo electrón es 600 veces más fuerte que la de un solo protón.)

La aplicación de MRFM a las estructuras de proteínas tendría consecuencias particularmente importantes. La actividad biológica de una gran molécula de proteínas es determinada por su configuración atómica plegada en forma compleja. Pero como esa estructura actualmente es imposible de determinar en forma directa, los científicos deben usar métodos indirectos como la dispersión de los rayos X por proteínas cristalizadas o simulaciones de computación. Los dispositivos MRFM avanzados también podrían servir como detectores de información cuántica en futuras computadoras cuánticas.