Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №22/2006

НОВОСТИ НАУКИ

Полупроводниковый ЯМР

ЯМР, т.е. ядерный магнитный резонанс, используется в физической химии и химической физике вот уже полвека, но нет предела совершенству, а самое главное – увеличению разрешающей способности метода. Сегодня, чтобы получить «читабельный» сигнал на фоне естественного шума, необходим миллиард миллиардов молекул (10 в 18-й степени). Довольно часто ученые просто не располагают таким количеством вещества. К тому же в среднем на каждый миллион атомов или молекул приходится одна частица примеси, что также влияет на результат.

ЯМР-анализатор, предназначенный для измерения характеристик протоносодержащих веществ

ЯМР-анализатор,
предназначенный для измерения
характеристик протоносодержащих веществ

Вот почему с таким интересом встречена статья в журнале «Nature», в которой рассказывается о «воспроизведении» ЯМР на... прямоугольном чипе, размеры сторон которого всего лишь 600х100 нанометров (нм) при толщине 20 нм! При такой толщине ученые с помощью современных методов печатания электронных схем, напыления и литографии умудрились вырастить целый сандвич с «воротами»-электродами, контактами и даже миниатюрным каналом в раскрытых «воротах».

В качестве исходного материала вместо кремния был избран арсенид галлия. Сверху на него был напылен антенный электрод на слое изолятора, под которым располагался проводник с отверстием в самом центре, диаметр которого не превышал 1 микрометра (микрона). Чтобы представить себе масштабы устройства, достаточно сказать, что сила протекающего в нем электрического тока составляет всего лишь 7 наноампер. Зато магнитная индукция превышает 5 тесла.

Проблема с современными ЯМР-устройствами заключается в том, что в них для создания мощных магнитных полей используются дорогостоящие металлические обмотки, размеры которых нельзя сделать меньше сантиметров. А это уж чересчур в наше время миниатюризации, преследующей цель повышения чувствительности к сигналу ЯМР и, следовательно, разрешения.

Полупроводниковая схема позволила все максимально упростить и одновременно уменьшить массу анализируемого образца до 100 миллионов атомов или молекул. Таким образом, разрешение повысилось в 10 миллиардов раз!

Резонанс – это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты внешнего воздействия к частоте одного из собственных колебаний устройства. Совпадение указанных частот может, например, в результате резонанса привести к усиленному раскачиванию того же небольшого моста, поэтому солдатам запрещено шагать в ногу на мостах.

Резонанс ядерных спинов – несколько иное. Определение методом ЯМР природы частиц осуществляется за счет высокой специфичности ядер атомов разных элементов и изотопов. Чтобы «настроиться» на резонирующие ядерные спины, приходится точно подбирать параметры внешнего радиоимпульса: частоту, амплитуду, фазу и время воздействия. Сигнал ЯМР появляется только тогда, когда все эти параметры совпадают с «заданными», т. е. свойственными конкретным ядерным спинам. Магнитное поле «выстраивает» спины подобно стройным шеренгам на параде, а радиоимпульс отклоняет их. Возвращение спинов в «строй» и порождает сигнал, который затем регистрируется детекторами.

Электронный чип позволил резко сократить объем анализируемого образца. Ученые видят самое широкое применение своего чипа в ближайшем будущем не только для быстрого и удешевленного химического анализа, но также для построения квантового компьютера, у которого переключатели-транзисторы будут иметь не два состояния, как у нынешних, а минимум 150! Квантовые компьютеры будут решать задачи, которые в принципе невозможно ставить перед современными компьютерами.

Однако и у нового ЯМР-чипа есть недостаток, заключающийся в том, что он может «работать» при температуре в несколько миллидолей градуса Кельвина, т.е. практически при абсолютном нуле.

Совсем иной подход предложил Игорь Савуков, опубликовавший статью в журнале «Physics Review Letters». Он создал сенсор, представляющий собой стеклянный цилиндр диаметром 4 см, который заполнен горячими парами калия в атмосфере гелия.

Савуков использовал не классический радиоимпульс, а луч лазера, с помощью которого происходит «выстраивание» (упорядочивание) ядерных спинов атомов калия. Рядом с этим цилиндром располагается вода, ядра атомов водорода которой «управляются» с помощью радиоимпульса по классической схеме. Результирующие магнитные сигналы от молекул воды усиливают колебания калиевых электронов.

«Считывание» этих колебаний, т.е. регистрация сигнала, осуществляется с помощью второго лазера. При этом достаточно одного «моментального» снимка. Современное же ЯМР-исследование, в ходе которого регистрируется сигнал от протонов в молекулах воды, занимает не меньше получаса.

Ученый полагает, что новые магнетометры будут стоить не миллионы, а всего лишь десятки тысяч долларов. Кроме того, само исследование будет проводиться не десятки минут, а практически мгновенно. В довольно скором будущем, полагает физик, магнетометры, устроенные по его принципу, смогут уместиться на ладони.

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
(Nature, 2005, № 7035, р. 839,
№ 7036, р. 966, 1001;
Science, 2005, № 5717, p. 1855)