Liberar el potencial de los estados de espín nuclear de larga duración
Todos los núcleos atómicos llevan una carga eléctrica, y muchos tienen espín, lo cual hace que se comporten como pequeños imanes. Si dicho núcleo se coloca en un campo magnético externo, su momento magnético se alineará con el del campo magnético aplicado de forma externa. Este proceso, la resonancia magnética nuclear (RMN), se aprovecha en la espectroscopia de RMN y la tomografía por RMN. El estado magnetizado de los núcleos también puede utilizarse para almacenar información. A pesar de su utilidad, el magnetismo nuclear es débil y de corta duración, lo cual limita la sensibilidad y la «memoria». Con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie, el equipo del proyecto NuMagLongRx desarrolló herramientas computacionales para predecir las propiedades de nuevos estados de espín nuclear de larga duración que permitirán el desarrollo de métodos para superar estos dos obstáculos.
Los estados de espín nuclear de larga duración ofrecen nuevas posibilidades en la RMN
Hace casi veinte años, Malcolm H. Levitt, coordinador del proyecto NuMagLongRx, de la Universidad de Southampton, y sus colegas describieron por primera vez los estados nucleares de larga duración. Los científicos observaron que el orden del espín nuclear en determinadas moléculas está protegido en cierta medida contra algunos mecanismos comunes de relajación. Tiene una vida útil excepcionalmente larga, mucho mayor que la constante de tiempo de relajación ordinaria (de promedio, cerca de un segundo o menos). Dichos estados pueden utilizarse para almacenar el orden de espín durante un tiempo relativamente largo, lo que proporciona posibilidades experimentales inéditas.
Los superordenadores y la química cuántica ayudan a predecir los estados de espín nuclear de larga duración
Aunque los estados de espín nuclear de larga duración pueden llegar a ser importantes en muchas aplicaciones, su existencia y sus tiempos de vida han resultado difíciles de predecir en detalle. En el marco de NuMagLongRx se desarrollaron simulaciones y teorías que permiten estas predicciones en condiciones realistas. El equipo combinó superordenadores y dinámica molecular para simular el movimiento de las moléculas y la teoría de la química cuántica a fin de predecir cómo influye este movimiento en el comportamiento de los estados de espín nuclear de larga duración. «Al comparar los resultados de la simulación con las mediciones experimentales, nos dimos cuenta de que nuestra teoría existente no lograba explicar del todo las observaciones experimentales. Descubrimos que un mecanismo descartado en gran medida por la comunidad investigadora era mucho más significativo de lo esperado. Se trata del movimiento de rotación de las moléculas en solución y de los pequeños campos magnéticos que genera, los cuales se acoplan a los núcleos», explica Levitt. Cuando el equipo incluyó este pequeño elemento en su descripción teórica, mejoró significativamente la concordancia entre la simulación y el experimento.
Resultados récord sobre estados nucleares de larga duración
«Nuestro grupo ha demostrado que, en algunos casos, los estados nucleares de larga duración pueden almacenar información durante más de una hora en un líquido a temperatura ambiente en comparación con la memoria magnética normal de la misma sustancia en las mismas condiciones», afirma Levitt. Los resultados obtenidos en NuMagLongRx marcan la primera vez que la relajación de los estados de espín nuclear de larga duración se ha tratado con éxito mediante una combinación de dinámica molecular y química computacional, con lo que se ha superado el estado actual de la técnica. La predicción de la tasa de decrecimiento de la información magnética nuclear con una buena fiabilidad para muchos sistemas, incluidos los metabolitos de los biofluidos, minimizará la necesidad de realizar mediciones costosas y que requieren mucho tiempo en muchos casos. Levitt concluye: «Los estados nucleares de larga duración son un excelente ejemplo de estados cuánticos protegidos relevantes en muchos otros ámbitos, como la computación cuántica y el procesamiento cuántico de la información». El equipo de NuMagLongRx ha acercado los estados de larga duración al aprovechamiento en la RMN y sus aplicaciones.
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