Wat is een elektronenspinresonantie?
Electron spin resonance (ESR) is een vorm van spectroscopie die wordt gebruikt op paramagnetische materialen - materialen die magnetisch worden wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld. ESR wordt ook elektronenparamagnetische resonantie of EPR genoemd. Elektronspinresonantie heeft een verscheidenheid aan toepassingen in de chemie en biologie, en heeft zelfs toepassingen op gebieden zoals quantum computing.
Een elektron draagt een lading en draait. Het veroorzaakt daarom een magnetisch moment. Indien geplaatst in een extern magnetisch veld, zal het magnetische moment van het elektron worden uitgelijnd met de richting van het magnetische veld. Het is ook mogelijk dat het elektron in de tegenovergestelde richting van het magnetische veld uitlijnt, maar dit vereist meer energie en is niet de natuurlijke toestand van het elektron. Dit is de wetenschappelijke basis voor elektronspinresonantie.
Met ESR wordt een stof met moleculen met extra of niet-gepaarde elektronen in een magnetisch veld geplaatst en wordt energie, meestal in de vorm van microgolven, erop toegepast. De ongepaarde elektronen zullen de elektromagnetische energie absorberen en naar een hogere energietoestand gaan door hun magnetische momenten opnieuw uit te lijnen zodat ze tegenovergesteld zijn aan het extern aangelegde magnetische veld. De frequentie van energie die wordt geabsorbeerd door de elektronen geeft de chemische structuur aan van het molecuul waaraan ze zijn bevestigd. Op deze manier kan elektronspinresonantie worden gebruikt om de chemische samenstelling van verschillende materialen te bepalen.
Het is van cruciaal belang dat de stof niet-gepaarde elektronen heeft. Dit komt omdat gepaarde elektronen volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe spins in tegengestelde richtingen zullen hebben en daarom geen netto magnetisch moment. Deze materialen staan bekend als diamagnetisch en zijn niet geschikt voor ESR.
Net als bij andere resonantiespectroscopietechnieken, moeten de elektronen die worden gebruikt bij elektronenspinresonantie kunnen ontspannen en terugkeren naar hun lagere energietoestanden. Zo niet, dan zullen alle elektronen worden geëxciteerd en is verdere absorptie niet mogelijk. In dit geval zal er niets te meten zijn en bijgevolg zal er geen signaal worden geproduceerd. Spin-rooster ontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan zijn omgeving, en spin-spin ontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan een ander elektron, zijn de twee methoden waarbij ontspanning kan optreden.
ESR is bijzonder goed geschikt voor de detectie van vrije radicalen, een reeks zeer reactieve moleculen met ongepaarde elektronen. Van vrije radicalen is bekend dat ze de oorzaak zijn van verschillende ziekten, vergiftigingen en zelfs kankers. Ze veroorzaken ook het verval van tandglazuur met een bekende snelheid, wat betekent dat elektronspinresonantie kan worden gebruikt om tanden en, bij uitbreiding, mensen te dateren. Overmatige vrije radicalen zijn ook aanwezig in bier en wijn die voorbij hun houdbaarheidsperiode zijn.
ESR is ook een vooraanstaande kandidaat in verschillende geavanceerde technologieën. Deze omvatten kunstmatige fotosynthese en quantum computing. In het laatste geval kan door ESR fijn af te stemmen om op een enkel elektron te werken in plaats van een groep elektronen, een logische poort worden gecreëerd die overeenkomt met de energietoestanden van het magnetische moment van het elektron.