20-02 Resonancia magnética nuclear

En 1946, dos científicos en los Estados Unidos, trabajando independientemente, de­scri­bi­e­ron un fenómeno físico-químico basado en las propiedades magnéticas de ciertos nú­cle­os del sistema periódico. Este fenómeno se denominó resonancia mag­né­ti­ca nu­cle­ar o RMN.

Ambos científicos, Edward M. Purcell y Felix Bloch, fueron galardonados con el Pre­mio Nobel de Física en 1952 [⇒ Bloch, Hanson, Packard, ⇒ Purcell, Torrey, Pound].

Purcell (Figura 20-04) nació en Illinois (EE.UU.) y estudió en la Universidad de Purdue, Indiana. Tras un año de in­ves­ti­ga­ción en la Universidad Técnica de Karlsruhe (Ale­ma­nia), trabajó en el Instituto de Tecnología de Mas­sa­chu­setts. Figura 20-04: Edward M. Purcell (1912-1997).

El descubrimiento de la absorción de la resonancia magnética nuclear tuvo lugar tras el final de la II Guerra Mundial, cuando era Profesor de Física en la Uni­ver­si­dad de Har­vard. Su artículo al respecto apareció en el “Physical Review” a prin­ci­pi­os de 1946, al igual que la publicación de Bloch (Figura 20-06).

Bloch (Figura 20-05) nació en Zurich y enseñó en la Uni­ver­si­dad de Leipzig hasta 1933, cuando emigró a los EE.UU., na­tu­ra­li­zán­dose en 1939. Se unió a la facultad de la Uni­ver­si­dad de Stanford en Palo Alto en 1934 y se convirtió en el pri­mer di­rec­tor del CERN en Ginebra en 1962. Murió en Zurich en 1983. Figura 20-05: Felix Bloch (1905-1983).

Figura 20-06: La comunicación de Bloch publicada en el "Physical Review", recibida en enero 1946. El artículo de Purcell llegó a la re­vis­ta cua­tro semanas antes, el 24 de di­ci­em­bre de 1945.

 Tanto Purcell como Bloch fueron protagonistas de la interacción entre Europa y EE.UU., sin la cual no existirían la RMN ni la IRM.

En algún momento de su carrera, muchos científicos europeos valoraron la po­si­bi­li­dad de emigrar a EE.UU., talvez muchos aun lo hacen. Algunos de los que lo han hecho permanecen allí y otros vuelven. Prácticamente no hay movimiento en sentido opuesto. Las razones históricas fueron diferentes antes y después de la II Guerra Mundial. Antes de la guerra, la mera supervivencia dependía de la emi­gra­ción o, en otros casos, se re­la­cio­na­ba con motivos políticos. La atracción de la Esta­tua de la Libertad hizo que mu­chos científicos se radicaran en el oeste.

Tras la guerra, los centros para investigación eran más atractivos en EE.UU. que en Europa, debido a que el sistema académico estadounidense era más flexible que las estructuras europeas – y las circunstancias económicas eran mejores tanto para la in­ves­ti­ga­ción como a nivel personal.

Bloch y Purcell no fueron los únicos científicos que trabajaban en este campo. La dé­ca­da de 1920 fue convulsa, pero también muy fructífera para la ciencia.

En 1924, Wolfgang Pauli (1900-1958) sugirió la posibilidad de la existencia de un espín nuclear intrínseco. El año siguiente, George Eugene Uhlenbeck (1900- 1988) y Sa­mu­el A. Goudsmit (1902-1978) introdujeron el concepto del electrón giratorio. Dos años más tarde, Pauli y Charles Galton Darwin (1887-1962) des­ar­ro­lla­ron un marco teó­ri­co para encajar el concepto de espín electrónico en la nueva mecánica cuántica de­sar­ro­lla­da el año anterior por Edwin Schrödinger (1887- 1961) y Werner Heisenberg (1901- 1976).

Pauli, Uhlenbeck y Goudsmit fueron a EE.UU. a trabajar. El británico (Darwin) se que­dó en Gran Bretaña – en aquel momento. El desarrollo continuó en la dé­ca­da de 1930.

Tras unos trabajos innovadores, en 1933, Otto Stern (Figura 20- 07) – junto con Walther Gerlach (1889-1979) – fue ca­paz de me­dir el efecto del espín nuclear por desviación de un haz de mo­lé­cu­las de hidrógeno (el efecto Stern-Ger­lach). Figura 20-07: Otto Stern (1888-1969).

Stern fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1943 "por su contribución al desarrollo del método de rayos moleculares y el descubrimiento del momento mag­né­ti­co del protón."

Durante los primeros años de la década de 1930, el la­bo­ra­to­rio de Isidor Isaac Rabi (Figura 20-08) en la Universidad de Co­lum­bia en Nueva York, se convirtió en el centro de es­tu­dios relacionados a este campo. Figura 20-08: Isidor Isaac Rabi (1899-1989).

Los trabajos de Rabi eran fructíferos, pero sólo tras la vi­si­ta, en Septiembre de 1937, del holandés Cornelis Jacobus Gorter (Fi­gu­ra 20-09) se logró medir el momento mag­né­ti­co nuclear. Gor­ter previamente había intentado ex­pe­ri­men­tos similares pero ha­bía fracasado (Figura 20-10). Figura 20-09: Cornelis Jacobus Gorter (1907-1980).

Años después, Gorter fue el primero en utilizar el término “resonancia magnética nuclear” en una publicación sobre sus experimentos fallidos que apareció en la Ho­lan­da devastada por la guerra en 1942, atribuyendo la paternidad de la expresión a Rabi [⇒ Gorter].

Figura 20-10: Comienzo del artículo de Gorter (1942).

Rabi modificó los experimentos teniendo en cuenta las sugerencias de Gorter, lo­gran­do finalmente observar experimentalmente la resonancia. Publicó sus re­sul­ta­dos en 1938 bajo el título de “Un Nuevo Método para Medir el Momento Magnético Nuclear” [⇒ Rabi].

Figura 20-11: Comienzo del artículo de Rabi sobre su pri­me­ra observación de la resonancia mag­né­ti­ca nuclear (1938). En una nota al pie de página expresa su gratitud a Gorter por su idea de cómo llevar a cabo el ex­pe­ri­men­to.

 La II Guerra Mundial tuvo un gran impacto sobre la investigación científica – y en algunos casos su interrupción. Alemania, por ejemplo, país líder en ciencias y medicina en esa época, dejó de lado por completo la investigación en la década de 1930. El cam­bio hacia adelante llegó con Bloch y Purcell en 1946, y en las décadas que siguieron la RMN se desarrolló en un amplio rango de aplicaciones.

Pero otro país hizo importantes contribuciones a la RMN, concretamente Kazán en Tartaristán (en aquel momento parte de la Unión Soviética y en la actualidad república independiente dentro de la Federación Rusa).

La resonancia del espín electrónico fue descubierta por Yev­ge­ni K. Zavoisky (Figura 20-12 - Евгений Кон­стан­тин­ович За­войс­кий) en la Universidad de Kazán hacia el final de la guer­ra [⇒ Zavoisky]. Zavoisky ya había intentado detectar la RMN en 1941, pero al igual que Gorter, sin resultado. Figura 20-12: Yevgeni K. Zavoisky (1907-1976).

Posteriormente, en enero de 1944, Za­vois­ky pudo registrar señales de la resonancia del espín electrónico (REE). Quedaron registradas en pe­lí­cu­las de celuloide y en notas ma­nu­scri­tas en su cuaderno de laboratorio (Figura 20-13). Figura 20-13: Imágenes de las primeras señales de REE tal como fueron copiadas de la pan­ta­lla de su oscilógrafo por Zavoisky en 1944 (Fuente: Laboratorio Con­me­mo­ra­ti­vo de Yevgeni K. Zavoisky en la Uni­ver­si­dad del Estado de Kazán).

A finales de la década de 1940, Za­voi­sky publicó varios artículos ci­en­tí­fi­cos sobre sus descubrimientos (Fi­gu­ra 20- 14). Figura 20-14: Publicación de Zavoisky en marzo de 1945: "Resonancia Magnética del Espín en Paramagnetismo" (traducción al inglés) en la cual menciona a Gorter.