Forskere fra DTU Fysik har netop modtaget 14 mio. DKK fra det Strategiske Forskningsråd til udviklingen af bittesmå diamantsensorer. Sensorerne kan måle meget små ændringer i levende cellers magnetfelter og dermed bruges til at diagnosticere hjernesygdomme tidligere og billigere, end det er muligt i dag.
Målet for DTU forskerne er at udvikle to forskellige sensorer og integrere dem på en chip, der kan bruges til at undersøge hjernevæv og dermed forbedre diagnostikken af hjernesygdomme. Udover at være ekstremt følsomme og præcise, vil de nye sensorer også virke ved almindelige temperaturer og tryk. Samtidig vil de være så robuste, at det bliver muligt at anvende dem udenfor hospitalet.
Diamanter er fremtidens sporhunde
Når lægerne leder efter eksempelvis sygdomme i kroppen sker det ofte ved hjælp af en såkaldt MR skanner. Ved at måle på de forskellige kropsvævs magnetfelter, kan de optage detaljerede billeder og opspore eksempelvis sygdomme i hjernen. Desværre er de allerbedste magnetsfeltssensorer, som MR skannerne, meget dyre og fungerer ofte kun under meget specielle forhold.
Sensorer lavet af diamanter har til gengæld den fordel, at de dels er bittesmå, robuste og billige og samtidig så følsomme, at de kan registrere ændringer i selv enkelte cellers magnetfelter. Det betyder, at diamanterne kan opspore vævsforandringer på et tidspunkt, hvor de måske endnu kun involverer ganske få celler.
”Diamantsensorer skal blandt andet bruges til meget følsomme målinger af hjernen, der kan føre til forbedret diagnostik og give os en meget bedre forståelse af hjernesygdomme,” forklarer Ulrik Lund Andersen, professor på DTU Fysik og leder af det nye forskningsprojekt.
Defekte diamanter
At en sensor lavet af diamanter er billig, lyder måske selvmodsigende. Men i dette tilfælde er der tale om meget små diamanter på et par mikrometer (tusindedele af en milimeter). Mens vi andre ønsker os store diamanter, er det diamanternes renhed, der er vigtig, når forskerne laver sensorer.
En diamantsensor (blå spids på billedet til højre) består af ultra-rene diamantkrystaller, som indeholder bittesmå defekter bestående af et nitrogenatom, der sidder på et carbonatoms plads. Elektronerne omkring nitrogenatomet er meget følsomme overfor udefrakommende forstyrrelser såsom magnetfelter, og deres tilstande kan derfor bruges til at måle ændringer i selv meget svage eksterne magnetfelter. Når elektronerne påvirkes af en lyskilde (gult lys til venstre i billedet), udsender de fluorescerende lys (røde pile til højre for diamantsensoren), som en detektor kan måle. Styrken af det fluorescerende lys afhænger af styrken af det eksterne magnetfelt, som igen afhænger af vævs- eller materialetypen. Dermed kan diamantsensorer bruges til at lave billeder af væv og materialer i bedste fald helt ned til de enkelte atomer placering. På billedet til højre, bruges diamantsensoren til at undersøge en DNA-streng, der et omgivet af et meget svag magnetfelt.
Bittesmå diamanter med enorm betydning
Udviklingen af sensorer, der med nanometer-præcision, dvs. i størrelsesordenen 10-9 (0,000000001 m), kan måle ekstremt små magnetfelter, er en stor udfordring i mange områder af naturvidenskaben, såsom medicin, biologi, kemi og materialefysik. Diamantsensorer kan således også få stor betydning indenfor så forskellige områder som måling af geomagnetiske felter og opsporing af skjulte våben og narkotika.
Budget
EXMAD har et samlet budget på 19 mio. kr., herunder en bevilling fra det Strategiske Forskningsråd på 14 mio. kr.
Læs mere om diamantsensorer:
"Ultrafølsom sensor fra DTU udnytter defekter i diamanter" Ingeniøren, 12.12.2013
“Toward Molecular-Scale MRI”, Science 1 February 2013, vol. 339, s. 529-530
Læs mere om bevillingen fra Det Strategiske Forskningsråd