Иерусалим, 3 июня 2025 года (TPS-IL) — В рамках революционного развития израильские и немецкие ученые создали МРТ-устройство, способное разрешать детали размером в миллиардную долю метра — масштаб достаточно мелкий для изображения отдельных атомов внутри одной молекулы. Этот прорыв впервые позволяет магнитно-резонансному томографу достигнуть разрешения на уровне нанометровых размеров при комнатной температуре.
Обычные МРТ-аппараты в больницах работают с разрешением около 0,1 миллиметра — достаточно для изображения человеческого тела на срезы, но слишком грубо для визуализации молекулярных структур. Предыдущие попытки уменьшить МРТ до наномасштаба требовали экстремальных условий, таких как криогенные температуры, или не обладали достаточной чувствительностью и разрешением для различения отдельных атомов.
Прорыв, возглавляемый аспирантом Лиорой Шейн Любомирски в лаборатории доктора Амита Финклера Института Вейцмана, был опубликован в журнале с пээр-ревью «Communications Physics».
«Это устройство дает нам возможность разрешать структуру отдельных молекул, что просто не было возможно раньше», — сказал Финклер. «Это не просто улучшение — это переосмысление того, что может делать МРТ».
Также в исследовании принимали участие доктор Райнер Штор и доктор Андрей Денисенко из Университета Штутгарта в Германии, и доктор Ярден Мазор из Тель-Авивского университета.
Для преодоления препятствий ученые объединили несколько инноваций. Во-первых, они разработали новый вид генератора магнитного поля. Используя золотой проводник в форме рыбьего головешки на кварцевом наконечнике, устройство создает исключительно крутой магнитный градиент при подаче электрического тока. Этот градиент — 1 000 тесла на метр, по сравнению с всего лишь 0,1 тесла на метр в стандартных МРТ-аппаратах — в 10 000 раз сильнее, что позволяет устройству различать атомы, находящиеся всего в миллиардной доле метра друг от друга.
«Ключ не заключался в увеличении абсолютной силы магнитного поля, а в увеличении того, насколько резко оно меняется с расстоянием», — пояснил Финклер. «Этот градиент позволяет нам присвоить каждому атому уникальную резонансную частоту, даже когда они находятся крайне близко друг к другу».
Команда также сделала значительный прогресс в использовании центров азот-дефекта (NV) в синтетическом алмазе, которые служат ультрачувствительными квантовыми датчиками. Ранее центры NV могли обнаруживать наличие близлежащих атомов, но не могли их различать — они просто усредняли сигнал. Новый магнитный градиент меняет это, фактически предоставляя каждому атому уникальную ‘подпись’, которую может прочитать центр NV.
«Раньше мы не могли разделять сигналы от разных атомов в молекуле водорода», — сказала Любомирски. «Теперь каждый атом водорода появляется на отдельной частоте в зависимости от своего положения, что позволяет нам восстановить высокоразрешающее изображение молекулы».
Еще одной новой особенностью системы является то, что магнитное поле электронно управляемо и переключаемо. Поскольку поле создается электрическим током, а не фиксированным магнитом, его можно включать и выключать всего за 0,6 микросекунды. Этот контроль по требованию снижает помехи во время сканирования и позволяет проводить более точные измерения.
Важно, что система работает при комнатной температуре, в отличие от многих конкурирующих методов, требующих замораживающих температур. «Устройство наноМРТ, использующее предложенный нами метод, сможет исследовать материалы в тех же условиях, в которых они используются в реальном мире», — сказал Финклер. «Это огромный шаг вперед как для фундаментальной науки, так и для промышленных приложений».
Перспективы особенно обнадеживают для фармацевтической и материальной промышленности. Сегодня магнитно-резонансные методы уже используются для проверки чистоты и состава лекарств, но только в образцах массой. Новая наноМРТ может позволить исследователям тестировать отдельные молекулы, значительно сокращая требования к образцам и ускоряя сроки разработки.
В фармацевтической промышленности сканирование отдельных молекул позволяет исследователям проверить точную структуру, расположение и чистоту активных ингредиентов лекарства.
Для продвинутых материалов, таких как сверхпроводники, катализаторы или наноматериалы, понимание того, как расположены отдельные атомы, критично. Устройство обеспечивает верификацию структуры на атомном уровне с невиданной детализацией.
Более того, способность обнаруживать и различать отдельные молекулы делает эту технологию многообещающей для обнаружения следовых соединений, таких как взрывчатые вещества, наркотики или токсины, в судебных или безопасностных приложениях.
«Это начало новой главы в молекулярной визуализации», — сказал Финклер. «Теперь у нас есть путь к картированию вещества на атомном уровне — быстро, чисто и при комнатной температуре».
