Un gruppo di ingegneri della Harvard University ha realizzato un chip per la spettorscopia a risonanza magnetica nucleare talmente piccolo da risultare addirittura difficile da scorgere ad occhio nudo. Il chip ha dimensioni di 4mm quadrati e ad oggi è il più piccolo sistema NMR mai costruito. Si tratta di una realizzazione che potrebbe portare alla costruzione di macchine NMR di dimensioni compatte, per l'utilizzo con maggior facilità sia in ambito medicale, sia in altri contesti industriali.
La spettroscopia NMR permette di rivelare la struttura chimica delle molecole organiche ed è uno strumento utilizzato normalmente per studiare proteine, per l'analisi di farmaci e per i processi di controllo qualità nel settore petrolifero e petrolchimico.
La tecnica prevede l'allineamento dello spin nucleare degli atomi lungo un campo magnetico statico e la loro vibrazione mediante un segnale di radiofrequenza. A determinate frequenze di risonanza, che dipendono dai nuclei stessi, lo spin oscilla producendo un segnale RF.
La convenzionale NMR richiede magneti superconduttori costosi e di grandi dimensioni per poter analizzare la struttura di molecole complesse come le proteine o per la realizzazione di scansioni per la MRI (Magnetic Resonance Imaging). Se, però, lo scopo è l'analisi di molecole più piccole allora è possibile utilizzare magneti permanenti meno potenti e di dimensioni minori.
Per realizzare il progetto, il gruppo di ingegneri coordinati dal professor Donhee Ham, ha utilizzato un magnete permanente delle dimensioni di una palla da tennis ed ha realizzato uno spettrometro elettronico accorpando ricevitore RF, trasmettitore e tutti gli altri componenti su un chip di ridotte dimensioni.
La vera sfida ha però riguardato proprio l'impiego di un magnete permanente: questo tipo di magnete, infatti, mostra piccole fluttuazioni del campo magnetico a seconda dei cambiamenti della temperatura. Un approccio tradizionale alla soluzione di questo problema avrebbe richiesto l'impiego e la progettazione di ulteriori elementi hardware, più ingombranti ed esosi in termini energetici, per la regolazione della temperatura.
Il team di Ham ha invece percorso la strada probabilistica, utilizzando tecniche di processazione del segnale per stimare la fluttuazione e compensarla: "Questo metodo permette di superare la necessità di un sistema di regolazione termica per il magnete permanente che avrebbe richiesto ulteriore hardware e accresciuto il consumo energetico. Tutto ciò avrebbe minato alla base il raggiungimento del nostro obiettivo: la portabilità" ha spiegato Ham.
La possibilità di realizzare un sistema di spettroscopia NMR di piccole dimensioni ha però altre possibili applicazioni che vanno oltre la costruzione di macchinari portatili: utilizzando infatti un magnete superconduttore di grandi dimensioni diventerebbe possibile impiegare una grande quantità di questi chip in maniera da realizzare un sistema parallelo per accelerare sensibilmente l'analisi delle molecole complesse eseguendo vari esperimenti di spettroscopia contemporaneamente.
"Un singolo esperimento di spettroscopia a risonanza magnetica nucleare è lento e richiede da svariati minuti a qualche ora. Utilizzare centinaia di questi chip spettrometri in parallelo con un magnete superconduttore può combattere la lentezza della spettroscopia NMR permettendo un'elevato tasso di uscita per analisi farmaceutiche e biologiche. Un anno di testing potrebbe essere facilmente completato in pochi giorni. Abbiamo già iniziato ad indagare in questa direzione" ha concluso Ham.
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