Misura del campo magnetico ad alta precisione

Ricercatori dell'Istituto di ingegneria biomedica dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo sono riusciti a misurare minime variazioni in forti campi magnetici con una precisione senza precedenti. Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno magnetizzato una goccia d'acqua in uno scanner a risonanza magnetica (MRI), utilizzato per le immagini mediche. I ricercatori sono stati in grado di rilevare fluttuazioni minime nell'intensità del campo magnetico nella gocciolina. Queste variazioni sono state fino a un trilionesimo di volte più piccole dell'intensità di campo del dispositivo di risonanza magnetica utilizzato, che era di sette Tesla.

"Finora queste piccole deviazioni potevano essere misurate solo in campi magnetici deboli", spiega Klaas Prüssmann, professore di Imaging biologico all'ETH di Zurigo e all'Università di Zurigo. Il campo magnetico terrestre, con le sue poche decine di microtesla, è un campo magnetico debole. Esistono già metodi di misurazione molto sensibili per tali campi, in grado di riconoscere deviazioni di circa un trilionesimo del campo, spiega Prüssmann. "Ora disponiamo di un metodo altrettanto sensibile per i campi forti, superiori a un tesla, come quelli utilizzati nell'imaging medico".

Sensore di nuova concezione

Per la misurazione gli scienziati hanno utilizzato il principio della risonanza magnetica nucleare. Questo principio è anche alla base della risonanza magnetica e dei metodi di spettroscopia utilizzati dai biologi per chiarire la struttura 3D delle molecole.

Per misurare le deviazioni, tuttavia, gli scienziati hanno dovuto costruire un nuovo sensore ad alta precisione. Parte di questo è un ricevitore radio digitale molto sensibile. "Questo ci ha permesso di ridurre il rumore di fondo a un livello estremamente basso durante la misurazione", spiega Simon Gross. Ha scritto la sua tesi di dottorato sull'argomento nel gruppo di Prüssmann ed è il primo autore dell'articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications.

Interferenza da antenna spenta

Nella risonanza magnetica nucleare, i nuclei atomici in un campo magnetico vengono eccitati con onde radio. Questi nuclei stessi emettono deboli onde radio, che vengono misurate con un'antenna radio e la cui frequenza esatta fornisce un'indicazione dell'intensità del campo magnetico.

Come sottolineano gli scienziati, è stata una sfida costruire il sensore in modo che l'antenna radio non distorca le misurazioni. Questo perché l'antenna è fatta di rame e gli scienziati devono posizionarla nelle immediate vicinanze della goccia d'acqua da misurare. L'antenna viene inoltre magnetizzata dal forte campo magnetico. Questo modifica anche il campo magnetico all'interno della goccia.

I ricercatori hanno quindi utilizzato un trucco: hanno modellato le gocce e l'antenna in un polimero appositamente preparato. La sua magnetizzabilità (suscettibilità magnetica) corrispondeva esattamente a quella dell'antenna di rame. In questo modo, gli scienziati sono riusciti a eliminare l'influenza dirompente dell'antenna sul campione d'acqua.

Si prevede un'ampia applicazione

Con il loro metodo di misurazione di piccolissime variazioni di campo magnetico, i ricercatori possono ora indagare anche sulle cause di tali variazioni. Gli scienziati prevedono applicazioni della loro tecnologia in vari campi della scienza, alcuni dei quali in medicina. Tuttavia, la maggior parte di queste applicazioni è ancora agli inizi.

"In una macchina per la risonanza magnetica, le molecole del tessuto corporeo sono minimamente magnetizzate, soprattutto le molecole d'acqua presenti anche nel sangue", spiega il dottorando Gross. "Il nuovo sensore è così sensibile che possiamo usarlo per misurare i processi meccanici nel corpo, come le contrazioni periodiche del cuore causate dal battito cardiaco".