Les chercheurs utilisent la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour déterminer les structures moléculaires et les interactions nucléaires, en utilisant à la fois des méthodes traditionnelles à champ élevé et des techniques innovantes à champ nul, qui simplifient les configurations expérimentales et élargissent les types de noyaux pouvant être analysés. Les progrès récents ont permis la mesure précise des noyaux quadripolaires à l'aide de la RMN à champ nul, ce qui promet des améliorations significatives dans des applications allant du diagnostic médical à l'analyse chimique. Crédit : Oleg Tretiak
Des chercheurs de l'Université de Mayence et de la Université de Californie, Berkeleyont réalisé des avancées significatives dans la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à champ nul, établissant de nouvelles normes pour l'évaluation comparative des calculs de chimie quantique.
Quelle est la structure d'une molécule spécifique ? Et comment les molécules interagissent-elles entre elles ? Les chercheurs se tournent souvent vers la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour répondre à ces questions. La RMN utilise un puissant champ magnétique externe pour aligner les spins des noyaux atomiques. Ces spins alignés sont ensuite amenés à tourner grâce à un champ magnétique oscillant faible produit par des bobines.
Les variations de tension qui en résultent peuvent être converties en fréquences mesurables. Les chercheurs peuvent ainsi identifier les structures moléculaires et obtenir des informations sur les interactions entre les spins nucléaires. Cependant, ce type d'étude nécessite des champs magnétiques très puissants générés par des dispositifs massifs, qui sont eux-mêmes difficiles à installer et à entretenir. En même temps, même avec des équipements aussi sophistiqués, il reste difficile d'analyser les noyaux quadripolaires, qui sont les types de noyaux les plus abondants dans la nature.
Dans le cas de la résonance magnétique nucléaire à champ nul (RMN à champ nul), il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un champ magnétique externe puissant. Ici, les couplages intramoléculaires entre les spins des noyaux magnétiquement actifs constituent l'interaction mécanique quantique prédominante.
Les lignes spectrales sont ainsi plus étroites et plus nettes, et les échantillons peuvent même être analysés dans des récipients en métal ou en d'autres matériaux. La spectroscopie RMN à champ nul est aujourd'hui utilisée pour surveiller les réactions dans des récipients métalliques ou pour l'analyse des plantes ; elle a également des applications prometteuses en médecine. Cependant, pour pouvoir mesurer les petites interactions entre les spins, il est nécessaire de prévoir une protection contre le champ magnétique terrestre, ce qui est en soi une tâche complexe.
Dispositif expérimental simple mais plus précis
Des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM), en collaboration avec des collègues de l'Université de Californie à Berkeley, ont récemment réussi à mesurer des noyaux quadripolaires en utilisant la RMN à champ nul. « Nous avons analysé une molécule d'ammonium, NH4+un cation qui joue un rôle important dans diverses applications », a déclaré le Dr Danila Barskiy, chef de l'équipe JGU.
« Nous espérons qu’à l’avenir, nous serons capables de détecter ces molécules même dans des environnements complexes, tels que des réacteurs et des conteneurs métalliques. »
Les chercheurs ont pu concevoir un système qui consiste simplement à mélanger des sels d’ammonium avec de l’eau et à ajouter différentes quantités de deutérium. Les spectres individuels ont ensuite été enregistrés et analysés. Pour cette analyse, les scientifiques ont utilisé un magnétomètre du commerce – pas plus gros qu’un ongle – dans un système d’analyse compact fabriqué maison avec blindage magnétique.
Des mesures de précision pour tester les théories existantes
Les chercheurs ont également examiné une autre question intéressante : dans quelle mesure le nombre d’atomes de deutérium dans une molécule d’ammonium influence-t-il le spectre et les caractéristiques de relaxation des spins ?
Comme l’a souligné Román Picazo-Frutos, étudiant à l’Institut de physique de l’Université Johns Hopkins et auteur principal de la publication correspondante : « Grâce à notre méthode, il est possible de déterminer les fréquences de résonance avec un niveau de précision très élevé. Étant donné que les résultats obtenus grâce à cette technique peuvent être comparés à d’autres données expérimentales, ils peuvent être utilisés pour évaluer les calculs de chimie quantique. Nous espérons que notre système deviendra une pratique courante dans un avenir proche. »
Bien que les prédictions basées sur les théories actuelles soient étroitement liées aux résultats obtenus par l’équipe, il existe de légères divergences. « Les travaux de l’équipe ont considérablement élargi la gamme des molécules pouvant être analysées au moyen de techniques de RMN à champ nul ou ultra-faible. Ils pourraient même contribuer au développement d’applications innovantes qui pourraient être utilisées pour étudier les noyaux d’atomes à petit nombre atomique au moyen de leur désintégration gamma radioactive », conclut le professeur Dmitry Budker de l’Université Johns Hopkins.
