Аркадий Курамшин: Жизнь замечательных веществ

Чтобы правильно определить строение веществ, в том числе и веществ-рекордсменов, нужны приборы, способные определять положение каждого атома в веществе, и эти приборы тоже могут вполне считаться рекордсменами.

Исследователи из Национального института материаловедения Японии (NIMS), RIKEN, компаний Kobe Steel и JEOL RESONANCE разработали самый мощный на настоящий момент ЯМР-спектрометр, рабочая частота которого составляет 1020 МГц (Journal of Magnetic Resonance, 2015; 256: 30 DOI: 10.1016/j.jmr.2015.04.009 ).

Проведение спектральных исследований с помощью нового прибора ожидаемо показало его значительное превосходство по отношению к обычным спектрометрам ядерного магнитного резонанса – в первую очередь в плане чувствительности и разрешения измерений.

Трудно перечислить все области, в которых применяется ЯМР-спектроскопия, в качестве примеров использования этого метода является проведение трехмерного конформационного анализа природных полимеров, таких как белки, а также для исследования свойств органических и комбинированных материалов; ЯМР-спектроскопия незаменима при разработке новых типов лекарственных препаратов и изучении строения комплексов лекарство/его молекулярная мишень. Для решения задач, связанных с установлением строения веществ, актуальной задачей является увеличение производительности ЯМР-спектрометров, которое достигается за счет увеличения рабочей частоты ЯМР-спектрометра и силе магнитного поля, воздействию которого подвергается анализируемый образец. До недавнего времени одним из самых эффективных ЯМР-спектрометров был спектрометр с рабочей частотой 900 МГц и магнитным полем в 21,1 Тесла, расположенный в Университете Бирмингема; с его запуска в работу началась гонка за создание ЯМР-спектрометра с рабочей частотой, превышающей 1000 МГц, предполагалось, что такие устройства можно будет создать, используя технологию высокотемпературной сверхпроводимости, однако из-за сложности обработки высокотемпературных сверхпроводников до настоящего времени никому не удавалось преодолеть барьер в 1000 МГц.

Использовав ряд своих разработок, включая технологию получения проводов из высокотемпературных сверхпроводников, полученных в NIMS еще в 1988 году, исследователям удалось создать 1020-мегагерцовый ЯМР-спектрометр. Чтобы создать и запустить такое устройство, исследователям потребовалось два десятилетия проектировки и сборки, в процессе создания такого устройства ЯМР приходилось преодолевать многие сложности не только технического и исследовательского характера: так, землетрясение, которое, как многие помнят, вызвало аварию на АЭС «Фукусима», помимо всего прочего привело к значительным проблемам в поставках гелия; работу над проектом также затормозила внезапная смерть его руководителя.

Ожидается, что новый «сверх-спектрометр» ЯМР внесет вклад в молекулярную биологию, аналитическую химию и материаловедение, однако результаты научных исследований, полученные в процессе работы над его созданием, в частности – управление магнитным полем высокой напряженности и особенности работы с высокотемпературными сверхпроводниками могут оказаться полезными и для других областей, не связанных напрямую с анализом вещества: например, для оптимизации работы установок МРТ, для создания устройств термоядерного синтеза, модернизации сверхскоростных поездов и сверхпроводящих электрических кабелей.