Chemické důsledky speciální teorie relativity v jaderné magnetické rezonanci

Nejčerstvější novinky z oboru a komplexní přehled poznatků autorského vědeckého týmu dnes publikoval prestižní vědecký časopis Chemical Reviews. Článek, který si vysloužil umístění na titulní straně časopisu, popisuje chemické sloučeniny a materiály napříč celou periodickou tabulkou prvků, sjednocuje pojmy relativistického působení sousedních atomů v magnetické rezonanci a vysvětluje jejich chování. Pochopení těchto relativistických účinků je zcela klíčové pro vědce ve fyzikálních, materiálních i biologických oborech.

Od objevu teorie relativity Albertem Einsteinem lidstvo začalo chápat mnoho dříve záhadných přírodních jevů. Zakřivení prostoru a času, jak je vysvětleno obecnou teorií relativity, je veřejně známé a popularizované v učebnicích prostřednictvím gravitačních černých děr a červích děr. Titulní stránka srpnového vydání nejprestižnějšího časopisu americké odborné asociace chemiků (American Chemical Society) – Chemical Reviews – zobrazuje umělecký pohled na zakřivení časoprostoru způsobující gravitaci kolem velmi hmotného tělesa, jako je neutronová hvězda, s vlivem na sousední menší tělesa.

Související

Marek Kuřina

Astronomové pořídili první snímek…

Martin Pokorný

Vzácný jev pozorovaný experimentem ATLAS ve…

Tento známý astrofyzikální jev odehrávající se v makrosvětě je paralelou relativistických vlivů atomů těžkých prvků na vlastnosti sousedních atomů v mikrosvětě. Autorem titulní strany je Tomáš Belloň z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB).

Výše popsaný jev je důsledkem Einsteinovy speciální teorie relativity a je možné ho experimentálně pozorovat v magnetickém poli. Moderní technologie nukleární magnetické rezonance (známé pod zkratkou NMR) umožňuje vědcům "komunikovat s jednotlivými atomovými jádry" a sledovat jejich vlastnosti pomocí elektromagnetických polí na radiofrekvenčních vlnách. Tento proces můžeme například velmi nadneseně přirovnat k běžnému mobilnímu telefonu, kde každý uživatel má své telefonní číslo.

V tomto případě každé atomové jádro má svou vlastní frekvenci. NMR (nukleární magnetická rezonance) spektroskopie je analytický nástroj, který vědcům slouží jako rychlý, nedestruktivní a neinvazivní prostředek k pozorování hmoty od atomového rozlišení až po makroskopické. Technologie magnetické rezonance způsobila revoluci jak v oboru chemie, tak medicíny, kde se technologie známá jako MRI (magnetická rezonance) stala důležitým nástrojem pro lékařskou diagnostiku.

Prezentovaný vědecký článek shrnuje současné poznatky o relativistických vlivech těžkých atomů na "vysílací" frekvence sousedních lehkých atomů, které podávají přímé informace o typu chemického spojení mezi atomy, a tím pádem i o struktuře hmoty v určitém materiálu nebo biologické tkáni.

Výzkumný tým složený z Jana Víchy z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, Jana Novotného z CEITEC MU, Stanislava Komorovského z Ústavu anorganické chemie Slovenské akademie věd, Michala Straky z ÚOCHB, Martina Kauppa z Technické univerzity Berlín a Radka Marka z CEITEC MU pracuje v této oblasti již více než deset let a přinesl a obohatil ji o několik nových zásadních konceptů shrnutých v tomto přehledovém článku. Jejich zjištění pomohou ostatním vědcům pochopit magnetické chování materiálů nebo tkání, které studují, a mohlo by tak přispět k novým objevům v oblasti nanotechnologií, udržitelných zdrojů energie nebo k vývoji léků pro moderní terapie.

Tato práce sjednocuje koncepty relativistických efektů sousedních atomů v magnetické rezonanci a vysvětluje jejich chování v periodické tabulce prvků. Práce tak vzdává hold speciální teorii relativity, kterou před 115 lety publikoval Albert Einstein stejně jako periodické tabulce chemických prvků, kterou před 151 lety publikoval Dmitrij Mendělejev.