Det kan låta motsägelsefullt, men diamanter är nyckeln till en ny teknik som kan ge ett mycket billigt alternativ till medicintekniska apparater för flera miljoner dollar och läkemedelsupptäckt.

Ett internationellt team som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley upptäckte hur man utnyttjar defekter i nanoskala och mikroskala diamanter och potentiellt öka känsligheten för magnetisk resonansavbildning (MRI) och kärnmagnetisk resonans (NMR) ) samtidigt som behovet av deras kostsamma och skrymmande supraledande magneter elimineras.

"Detta har varit ett långvarigt olöst problem inom vårt område, och vi kunde hitta ett sätt att övervinna det och visa att lösningen är mycket enkel, "sa Ashok Ajoy, en postdoktor inom materialvetenskapsavdelningen vid Berkeley Lab, och Institutionen för kemi vid UC Berkeley, som fungerade som huvudförfattare till studien. "Ingen har någonsin gjort det här förut. Mekanismen som vi upptäckte är helt ny."

MR -maskiner används för att lokalisera cancertumörer och hjälpa till med att utveckla behandlingsplaner, medan NMR-maskiner används för att undersöka atomskala struktur och kemi för läkemedelsföreningar och andra molekyler.

Den nya tekniken, beskrivs i den 18 maj upplagan av Vetenskapliga framsteg tidning, kan leda till direkt användning av dessa små diamanter för snabb och förbättrad biologisk avbildning. Forskare kommer också att försöka överföra denna speciella inställning, kallad spinpolarisering, till en ofarlig vätska som vatten, och att injicera vätskan i en patient för snabbare MR -skanningar. De små partiklarnas höga ytarea är nyckeln till detta arbete, forskare noterade.

Att förstärka denna snurrpolarisering i elektronerna i diamantatomerna kan liknas vid att rikta in några kompassnålar som pekar i många olika riktningar i samma riktning. Dessa "hyperpolariserade" snurr kan ge en skarpare kontrast för avbildning än konventionella supraledande magneter.

"Denna viktiga upptäckt i hyperpolarisering av nano- och mikroskala diamanter har enorma vetenskapliga och kommersiella konsekvenser, "Ajoy sa, eftersom några av de mest avancerade MRI- och NMR -maskinerna kan vara otroligt dyra och utom räckhåll för vissa sjukhus och forskningsinstitutioner.

"Detta kan hjälpa till att expandera marknaden för MR och NMR, " han sa, och kan också potentiellt krympa enheterna från rumsstorlek till bänkstorlek, som "har varit drömmen från början." Ajoy är medlem i forskningslaboratoriet Alex Pines vid UC Berkeley — Pines är senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och en pionjär inom utvecklingen av NMR som forskningsverktyg.

Forskare hade kämpat för att övervinna ett problem med att rikta diamanterna på rätt sätt för att uppnå en mer enhetlig snurrpolarisering - och detta problem var ännu mer uttalat i samlingar av mycket små diamanter som presenterade ett kaotiskt virvar av orienteringar. Tidigare ansträngningar, till exempel, hade undersökt om borrning av små funktioner i diamantprover kan hjälpa till att kontrollera deras spinnpolarisering.

De avstämbara spinnegenskaperna i diamanter med defekter som kallas kvävevakanser - där kväveatomer tar plats för kolatomer i kristallstrukturen hos diamanter - har också studerats för potentiell användning vid kvantberäkning. I dessa applikationer, forskare försöker kontrollera elektronpinnets polarisering som ett sätt att överföra och lagra information som de och nollorna i mer konventionell magnetisk datalagring.

I den senaste studien, forskare fann att genom att zappa en samling av mikroskala diamanter med grönt laserljus, utsätter den för ett svagt magnetfält, och sveper över provet med en mikrovågskälla, de skulle kunna förbättra denna kontrollerbara spin -polarisationsegenskap i diamanterna hundratals gånger jämfört med konventionella MRI- och NMR -maskiner.

Emanuel Druga, elektriker i UC Berkeley College of Chemistry FoU -butiker, utformade ett stort mätverktyg för den nya tekniken som visade sig vara avgörande för att bekräfta och finjustera spinnpolarisationsegenskaperna för diamantproverna. "Det gjorde att vi kunde felsöka detta på ungefär en vecka, "Sa Ajoy.

Enheten hjälpte forskare att komma in på en bra storlek för diamantkristallerna. I början, de använde kristaller som mätte cirka 100 mikron, eller 100 miljoner av en meter över. De små proverna av rosa diamanter liknar fin röd sand. Efter testning, de fann att diamanter som mäter cirka 1 till 5 mikron presterade ungefär dubbelt så bra.

De små diamanterna kan tillverkas i ekonomiska processer genom att omvandla grafit till diamant, till exempel.

Forskargruppen har redan utvecklat ett miniatyriserat system som använder komponenter från hyllan för att producera laserljus, mikrovågsenergi, och magnetfält som krävs för att producera spinnpolarisationen i diamantproven, och de har sökt patent på tekniken och hyperpolarisationssystemet.

"Du kan tänka dig att eftermontera befintliga NMR -magneter med ett av dessa system, "sa Raffi Nazaryan, som deltog i studien som forskare vid Berkeley Lab och UC Berkeley. Prototyper av systemet kostar bara flera tusen dollar, noterade han.

Medan snurren är kortvarig, forskare sa att de undersöker sätt att kontinuerligt polarisera proverna, och undersöker också hur man kan överföra denna polarisering till vätskor. "Vi kan eventuellt återvinna vätskan så att den flyter i en sluten slinga, eller fortsätt injicera nypolariserad vätska. "