破坏性装置将氙-NMR带入易碎材料中

这是一种潜在破坏性的新技术，正是因为它具有无中断性：能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家开发出一种装置，可以使核磁共振(核磁共振)光谱与强大的分子传感器相结合，分析粘性溶液和易碎材料(如液晶)中的分子相互作用。

首先，他们的方法允许传感器超极化氙气溶解到微小的物质样品中而不破坏它们的分子顺序。

该技术将超极化气体NMR的分析能力带到太脆弱的材料，不能通过鼓泡或摇动接受氙气，这是传统的输送方法。它可以帮助科学家更多地了解用于工业过程的高级聚合物，过滤器和催化剂，以及液晶显示器，仅举几例。

该研究在核磁共振先驱Alexander Pines的实验室进行，他是伯克利实验室材料科学部的高级教员科学家和加州大学伯克利分校的Glenn T. Seaborg化学教授。Ashley Truxal和Clancy Slack是加州大学伯克利分校的研究生和伯克利实验室材料科学部门的成员，他们与其他几位科学家一起进行了这项研究。

“我们的设备提供了一种新的，强大的方法，可以将超极化氙气引入样品中，而不会干扰其分子的顺序，”Pines说。“这将使我们能够使用核磁共振来研究新型粘性和易碎材料，以及分层聚合成更复杂结构的材料，如合成膜和生物细胞。”

与其成像表兄磁共振成像(MRI)一样，NMR光谱使用超导磁体来极化样品中核自旋的排列。当施加射频脉冲时，原子核的自旋翻转然后松弛回到对准，这产生它们自己的特征频率。通过NMR检测器将频率转换成材料中分子的类型，分布和反应状态的光谱读数。

然而，通常，样品中只有一小部分核自旋极化，这极大地限制了NMR的灵敏度。提高核磁共振信号强度和灵敏度的一种方法是使核自旋超极化，这意味着核极化远远超出其热平衡条件。同位素氙-129相对容易超极化，并且响应于其周围环境的微小变化而产生大的NMR信号。它被鼓泡成科学家希望用NMR分析的材料，氙核的旋转报告了内部的内容。

但是超极化氙气具有一个很大的局限性：当它被鼓泡成粘性溶液或分子排列的物质时，气泡会破坏样品，有时甚至会破坏它。

伯克利实验室的科学家现在已经克服了这一局限。他们的方法将超极化氙气溶解成脆弱的样品，而不会对其分子序列造成严重破坏。以下是它的工作原理：将要研究的样品放在空心硅树脂膜纤维内。氙气通过色谱柱扩散，只分析色谱柱内的氙气。获得NMR信号，并且氙气从柱中扩散出来，由新气体代替。

“我们的系统基本上可以使氙气进出柱子，因此信号源会不断补充，”Truxal说。“除了对样品无破坏性外，该方法还需要非常少量的样品，因此NMR分析非常有效。”

科学家已经证明了他们采用传统技术无法通过超极化氙气探测的两种材料的无中断方法。在一个示例中，他们使用该装置来跟踪MBBA(有机液晶)中的相变。

“准确了解液晶经历相变的时间和原因可以帮助我们利用这些特性，例如，可能会产生更好的电子显示器，”Truxal说。

科学家们还使用该装置分析具有液晶特性的噬菌体，表明该技术可应用于各种生物材料。