Först introducerades i stor användning i mitten av 1900-talet, kärnmagnetisk resonans (NMR) har sedan dess blivit en oumbärlig teknik för att undersöka material ner till sina atomer, avslöjar molekylstruktur och andra detaljer utan att störa själva materialet.

"Det är en allmänt använd teknik i kemisk analys, material karakterisering, MRT – situationer där du gör en icke-invasiv analys, men med atomära och molekylära detaljer, ", sa kemiprofessorn Songi Han vid UC Santa Barbara. Genom att placera ett prov i ett starkt magnetfält och sedan sondera det med radiovågor kan forskare avgöra materialets molekylära struktur utifrån svaret från de oscillerande kärnorna i materialets atomer.

"Dock, problemet med NMR har varit att eftersom det är en så lågenergiteknik, det är inte särskilt känsligt, Han sa. "Det är väldigt detaljerat, men du får inte mycket signal." Som ett resultat, stora mängder provmaterial kan behövas i förhållande till andra tekniker, och signalernas allmänna svaghet gör NMR mindre än idealiskt för att studera komplexa kemiska processer.

Ett botemedel mot denna situation ligger i dynamisk kärnpolarisering (DNP), en populär teknik där energi "lånas" från närliggande elektroner för att förbättra signalen som kommer från kärnorna.

"Elektroner har mycket högre energi än kärnor, Han förklarade. Inbyggd i specialdesignade "radikala" molekyler, dessa oparade elektroners polarisation överförs till kärnorna för att förbättra deras signal.

Ett lika hett ämne som DNP har blivit under det senaste decenniet, dock, Han tror att vi fortfarande bara skrapar på ytan.

"Trots att DNP i grunden förändrade landskapet för NMR, Vid slutet av dagen, endast en handfull designpolariserande medel har använts, Han sa. "Ett polariserande medel har använts för att polarisera vätekärnor, men DNP:s kraft är större än så. I princip, många andra källor till elektronspin kan polarisera många andra typer av kärnspinn."

I en artikel publicerad i tidningen Chem , Han och hans kollegor tänjer på gränserna för NMR med den första demonstrationen av dynamisk kärnpolarisering med hjälp av övergångsmetallen vanadin (IV). Enligt Han, deras nya tillvägagångssätt - kallad "hyperfin DNP-spektroskopi" - ger en inblick i den typiskt oklara lokala kemin kring övergångsmetaller, som är viktiga för processer som katalys och reduktion-oxidationsreaktioner.

"Nu kanske vi kan använda endogena metaller som finns i katalysatorer och i många andra viktiga material, Han sa, utan att behöva lägga till polariserande medel - dessa radikalmolekyler - för att producera en starkare NMR-signal.

Ironin med övergångsmetaller som vanadin och koppar, Han förklarade, är att dessa atomer tenderar att vara funktionella centra - platser där viktig kemi äger rum.

"Och de exakta aktionscentra och funktionella centra har varit mycket svåra att analysera (med NMR) eftersom de tenderar att bli osynliga, " sa hon. Elektronspin i övergångsmetallen tenderar att förkorta livslängden för NMR-signalen, hon förklarade, gör att de försvinner innan de kan upptäckas.

Det här skulle inte vara första gången kemi kring övergångsmetaller har observerats, Han sa, pekar på studier som tittat på de kemiska miljöerna kring gadolinium och mangan. Men det kommersiellt tillgängliga instrumentet som användes i dessa studier erbjöd "en mycket snäv syn."

"Men det finns många fler metaller som är mycket viktigare för kemin, "Så vi utvecklade och optimerade instrumentering som förbättrar frekvensområdet från det mycket snäva omfånget för ett kommersiellt instrument till ett mycket bredare område."

Med sin hyperfina DNP-spektroskopi fann forskarna också att signalen verkligen utplånas inom ett visst område runt metallen som kallas spindiffusionsbarriären, men om kärnorna är belägna utanför den zonen blir signalen synlig.

"Det finns sätt att lätta upp den miljön, men du behöver veta hur och varför, Han sa, och tillägger att tidningens huvudförfattare, Sheetal Kumar Jain från UC Santa Barbara och Chung-Jui Yu från Northwestern University kommer att fortsätta att utforska och tillämpa denna nya metod när de fortsätter sin akademiska karriär och forskarkarriär.