Levitare nel Magnete: La Risonanza Magnetica Senza Contatto è Realtà!

Ciao a tutti! Avete mai pensato a come sarebbe studiare i liquidi, le loro reazioni, o persino come evaporano, senza doverli chiudere in un contenitore? Sembra fantascienza, vero? Eppure, è proprio quello che siamo riusciti a fare combinando due tecnologie pazzesche: la levitazione acustica e la risonanza magnetica (RM).

Normalmente, quando si usa la risonanza magnetica per “vedere” dentro la materia a livello molecolare, che sia per immagini (MRI) o per analizzare la composizione chimica (spettroscopia MRS), c’è bisogno di mettere il campione in una provetta o un contenitore. Questo però è un limite enorme se vuoi studiare fenomeni dinamici, come l’evaporazione, o reazioni che avvengono proprio sulla superficie del liquido, all’interfaccia con l’aria. Il contenitore, semplicemente, è d’intralcio.

La Sfida: Far Levitare Gocce in un Campo Magnetico Potente

Allora ci siamo chiesti: e se potessimo far “galleggiare” una gocciolina di liquido a mezz’aria, senza nessun contatto, e poi analizzarla con la risonanza magnetica? Qui entra in gioco la levitazione acustica. È una tecnica affascinante che usa onde ultrasoniche (suoni così acuti che noi non possiamo sentirli) per creare delle zone di pressione nell’aria. In alcuni punti specifici, chiamati nodi, la pressione acustica è tale da poter sostenere piccoli oggetti, come goccioline d’acqua o altri liquidi, facendoli letteralmente levitare!

Il bello della levitazione acustica è che funziona con quasi tutti i materiali, non serve che siano magnetici o abbiano particolari proprietà elettriche. Inoltre, possiamo persino controllare la forma della goccia giocando con la potenza del suono.

Ma ecco la sfida: le macchine per la risonanza magnetica usano campi magnetici potentissimi (nel nostro caso, ben 7.05 Tesla, che è tantissimo!). Questi campi possono fare un sacco di cose strane ai componenti elettronici, come quelli dei trasduttori ultrasonici che generano il suono per la levitazione. C’era il rischio che il levitatore smettesse di funzionare, o che la sua performance calasse drasticamente. In più, dovevamo fare i conti con le correnti parassite (eddy currents) indotte dal campo magnetico, la difficoltà di vedere cosa succedeva alla goccia dentro il magnete e il fatto che molti componenti dei levitatori contengono parti metalliche magnetiche, un bel problema!

La Nostra Soluzione: Un Levitatore “Demagnetizzato” e Ottimizzato

Non ci siamo persi d’animo! Abbiamo preso il design di un levitatore acustico particolarmente performante, che avevamo già sviluppato pensando alla stabilità e alla forza di levitazione, e lo abbiamo modificato. La modifica chiave è stata “demagnetizzare” i trasduttori ultrasonici, sostituendo i pin magnetici con altri non magnetici. Abbiamo usato una configurazione esagonale con 18×2 trasduttori, che garantisce un’ottima stabilità e controllo sulla posizione della goccia (parliamo di precisione micrometrica!).

Per portare il levitatore con la sua gocciolina fluttuante proprio nel cuore del magnete, abbiamo costruito anche un piccolo “ascensore” meccanico fatto di materiali non magnetici come la fibra di carbonio.

Abbiamo testato il tutto: abbiamo misurato come si comportava il levitatore dentro il campo magnetico a 7.05 T. Come previsto, le correnti parassite hanno un po’ disturbato il funzionamento, riducendo la corrente assorbita dai trasduttori. Per compensare, abbiamo semplicemente aumentato un po’ la tensione di funzionamento rispetto a quella usata fuori dal magnete. Abbiamo anche verificato che piccoli aumenti di temperatura dovuti agli impulsi della risonanza magnetica non influenzassero significativamente la levitazione.

Vedere l’Invisibile: Le Immagini RM delle Gocce Levitanti

Il momento della verità: siamo riusciti a far levitare una goccia di esadecano (un tipo di olio) dentro il magnete e a ottenere delle immagini RM! Abbiamo usato diverse tecniche di imaging (FLASH, True-FISP, RARE). All’inizio, una delle tecniche (RARE) era così energetica che faceva “esplodere” la povera gocciolina! Ma ottimizzando i parametri, siamo riusciti a ottenere immagini chiare con tutte le tecniche, dimostrando che la levitazione funzionava alla grande anche lì dentro.

Poi abbiamo fatto un esperimento ancora più figo: abbiamo fatto levitare una goccia d’acqua e l’abbiamo “fotografata” con la RM (usando la tecnica FLASH) mentre evaporava. È stato incredibile vedere l’immagine della goccia rimpicciolirsi nel tempo e poter misurare la diminuzione del volume e persino come cambiava leggermente la sua forma (il suo “aspect ratio”). Questo dimostra che possiamo seguire visivamente fenomeni dinamici in tempo reale, senza contenitori!

Ascoltare le Molecole: La Spettroscopia Senza Contatto

Ma non ci siamo fermati alle immagini. Volevamo ottenere informazioni chimiche dettagliate, ovvero fare spettroscopia (MRS). Abbiamo fatto levitare una goccia di olio di canola e abbiamo acquisito i suoi spettri RM usando sia tecniche “localizzate” (che analizzano solo un piccolo volume specifico, come STEAM, PRESS, ISIS) sia “non localizzate” (che guardano l’intero campione).

I risultati? Fantastici! Soprattutto con la tecnica ISIS e quelle non localizzate, abbiamo ottenuto spettri con una risoluzione ottima, paragonabile a quella che si ottiene con un campione in provetta in uno spettrometro NMR standard. Questo significa che il campo magnetico all’interno della gocciolina era bello omogeneo, una condizione essenziale per una buona spettroscopia.

La Forma Conta: Come la Geometria Influenza lo Spettro

Qui arriva una delle scoperte più interessanti. Ci siamo accorti, e lo abbiamo confermato con calcoli teorici, che la forma della goccia levitante influenza la posizione dei segnali nello spettro RM (il cosiddetto “chemical shift”). In pratica, cambiando la tensione del levitatore, potevamo variare la forza acustica e quindi schiacciare più o meno la goccia, facendola passare da quasi sferica a più oblata (tipo una lente).

Abbiamo fatto levitare una goccia di esadecano e abbiamo registrato gli spettri a diverse tensioni. Come previsto dalla teoria, man mano che la goccia diventava più schiacciata (aspect ratio minore), i segnali si spostavano leggermente a frequenze più alte (downfield shift). Confrontando lo spostamento misurato con la teoria, siamo riusciti a stimare la forma della goccia direttamente dallo spettro! E queste stime corrispondevano bene a quelle ottenute dalle immagini RM. Forte, no? Questo ci dice anche che gli impulsi RM non stavano scaldando troppo la goccia, altrimenti avremmo visto altri tipi di spostamenti nel tempo.

Dinamica in Tempo Reale: Seguire l’Evaporazione e le Interazioni Molecolari

Infine, abbiamo messo alla prova il sistema con un esperimento ancora più complesso: abbiamo fatto levitare una goccia di una miscela di acqua e trietilenglicole (TEG) al 50% e abbiamo seguito la sua evaporazione sia con immagini RM che con spettroscopia (usando ISIS). Il TEG ama molto l’acqua, e le due molecole interagiscono tramite legami idrogeno.

Con le immagini (FLASH), abbiamo visto l’intensità del segnale diminuire man mano che l’acqua evaporava, stabilizzandosi dopo circa 6-15 minuti. Ma è stato con la spettroscopia che abbiamo visto la vera magia molecolare! Nello spettro iniziale, vedevamo un segnale forte per i protoni -OH, dominato dall’acqua. Man mano che l’acqua evaporava, questo segnale si allargava e si spostava, perché l’equilibrio dello scambio di protoni -OH tra acqua e TEG cambiava. Alla fine, quando quasi tutta l’acqua era evaporata, emergeva il segnale pulito dei gruppi -OH del TEG a una posizione diversa.

Analizzando l’intensità dei segnali nel tempo, abbiamo potuto seguire precisamente la perdita d’acqua e abbiamo persino confermato, alla fine, che il rapporto tra i segnali del TEG corrispondeva esattamente a quello atteso per il TEG puro, indicando che tutta l’acqua era evaporata. Abbiamo anche notato un piccolo spostamento (upfield) dei segnali del TEG, suggerendo che la goccia diventava leggermente più sferica man mano che perdeva volume, cosa che ha senso!

Conclusioni e Prospettive Future

Quindi, cosa significa tutto questo? Abbiamo dimostrato che è possibile combinare la levitazione acustica con la risonanza magnetica per studiare goccioline di liquido da pochi microlitri (da 0.5 a 5 µL) in modo completamente senza contatto, ottenendo sia immagini che spettri ad alta risoluzione.

Questo apre porte incredibili per studiare fenomeni dinamici a livello molecolare che prima erano inaccessibili:

• Reazioni chimiche o enzimatiche che avvengono all’interfaccia liquido-gas.
• Processi di cristallizzazione, magari di proteine.
• Caratterizzazione avanzata di materiali in piccole quantità.
• Studio dell’evaporazione e delle interazioni molecolari in tempo reale.

Immaginate le possibilità! È come avere un laboratorio miniaturizzato che fluttua nel cuore di uno strumento potentissimo come la risonanza magnetica. C’è ancora tanto da sviluppare e migliorare, ma siamo davvero entusiasti di aver aperto questa nuova frontiera nella scienza dei materiali e non solo. Chissà quali altre scoperte ci aspettano grazie a queste goccioline levitanti!

Fonte: Springer