Putting water in a spin harnesses proton magnetism — ABC Chemicals

Американские ученые открыли новый способ заказа крошечных магнитов, которые являются протонами водорода в молекулах воды, которые в нашем стакане абсолютно неупорядочены. Мохсен Арабгол и Тихо Слеатор из Нью-Йоркского университета (Нью-Йоркский университет) показали, что они могут выравнивать вращения протонов, вращая их на очень высоких скоростях. Они поняли, что явление, известное как эффект Барнетта, впервые продемонстрированное в электронах в 1915 году, должно также применяться к протонам. «То, что мы ожидали, мы должны найти, мы закончили тем, что нашли», говорит Слеатор Мир химии, «Наша идея была правильной.

Слеатор объясняет, что идея возникла из проекта, частично финансируемого Агентством перспективных исследований Министерства обороны США. Он стремился сделать более простой, более портативный зонд для визуализации мозга, чем это возможно с помощью МРТ. Идея состояла в том, чтобы послать циркулярно-поляризованные рентгеновские лучи, чтобы вращать молекулы в мозге, чтобы попытаться выровнять вращения их протонов водорода.

Механики МРТ и приборы ЯМР-спектроскопии, которые обычно используют химики, громоздки, поскольку содержат большие магниты для выравнивания протонов. Такое выравнивание или поляризация возможны потому, что протоны имеют магнитный момент, отражающий их напряженность магнитного поля и ориентацию, последний из которых более известен как спин. Эта ориентация всегда принимает одно из двух значений. Поэтому спины всегда либо выровнены в том же направлении, что и магнитное поле, используемое для их измерения, либо выровнены напротив этого поля.

То же самое относится и к электронам, только их магнитные моменты примерно в 700 раз больше протонов. Это важно, когда речь идет о вращающихся образцах, поскольку существует фундаментальная связь между магнитными моментами частиц и моментом их вращения. В начале 20-го века Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хаас поняли, что это означает, что изменение магнитного момента тела может заставить его вращаться. Сэмюэль Барнетт продемонстрировал противоположное этому, показав, что вращающиеся металлические стержни на их осях могут намагничивать их, поляризуя спины электронов.

Революционное оборудование

Поляризация спинов таким способом требует придания частицам достаточного момента импульса. «Если у вас есть образец, скажем, протонов в воде, который вращается очень быстро, если вращение переворачивается от направления, параллельного направлению вращения, к направлению, противоположному направлению вращения, происходит обмен угловым моментом между перевернутым Спин и объемный образец, ‘объясняет Слеатор. Вращение образца достаточно быстро может обеспечить достаточную энергию для частичного выравнивания спинов в одном направлении, частично преодолевая эффект скремблирования тепловой энергии.

Putting water in a spin harnesses proton magnetism - ABC Chemicals

Поскольку магнитные моменты протонов очень малы, образец должен вращаться очень быстро. Sleator приобрела спиннер из Revolution NMR, базирующийся в Колорадо, который может развивать скорость до 15 000 оборотов в секунду. Для сравнения: коленчатый вал в двигателе гоночной машины Формулы-1 вращается со скоростью 18 000 оборотов в минуту. Слеатор признает, что он и Арабгол боялись раздвинуть предел прядильщика, поэтому застряли со скоростью 13 500 оборотов в секунду.

Ученые из Нью-Йоркского университета обнаружили результат, используя измерения ЯМР, но вместо обычных больших магнитов они поместили счетчик между двумя недорогими кольцевыми магнитами с низким полем. Поле было достаточно для того, чтобы они могли обнаружить намагниченность с возможностью вращения, но не подавить ее.

Меган Халс из Университета Йорка, Великобритания, говорит, что «интересно, что вы можете генерировать поляризацию», обычно создаваемую мощным магнитным полем, просто вращая образец. «Это необычный эффект», — добавляет она. Она добавляет, что создаваемая поляризация, даже при очень высоких скоростях вращения, «довольно слабая, и поэтому этот эффект не может легко заменить сильные магнитные поля, используемые в ЯМР / МРТ».

Слеатор признает, что маловероятно, что ядерный эффект Барнетта может произвести революцию в МРТ, назвав идею «пирогом в небе». Приложения для эффекта не очевидны прямо сейчас, но он подчеркивает, что то же самое было первоначально верно для электромагнитной индукции, которая сегодня позволяет большую часть нашего производства электроэнергии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *