IBM araştırmacıları, tıpta insan vücudunun görüntüsünü çekmek için kullanılan manyetik rezonans (MR) yöntemine benzer, ancak ondan 10 milyon kez daha duyarlı bir yöntemle, tek bir elektronun görüntüsünü elde etmeyi başardı.

Atomların yapısını gözlemlemeye az kaldı. IBM araştırmacıları, ilk aşamada moleküllerin daha sonra da bireysel atomların üç boyutlu görüntülerini izlemeye imkan verecek bir mikroskop geliştirme çalışmalarında büyük adım attı.

ABD- San Jose kentindeki IBM Almaden Araştırma Merkezi’nde araştırmacılar, katı bir numune içinde gömülen tek bir elektrondan zayıf bir manyetik sinyal tespit ederek nano ölçekli manyetik rezonans görüntüleme (magnetic resonance imaging/MRI) alanında bir ilki gerçekleştirdiler.

Molekülleri görüntülemeye imkan veren ‘magnetic resonance force microscope (MRFM)’ adlı mikroskobun yetkinleştirilmesi için IBM araştırmacıları 10 yılı aşkın bir süredir çalışıyor.

Devrimsel sonuçlar

Nano ölçekteki yapılardaki atomların yerlerini kesine yakın düzeyde tespit etmek gen, ilaç, tıp araştırmalarının yanı sıra endüstriyel araştırmalarda da devrim niteliğinde sonuçlar doğurabilme potansiyeline sahip.

Madde üzerinde bu kadar detaylı görüntülemeye imkan veren mikroskopların geliştirilmesiyle, proteinler, ilaç hammaddeleri, elektrik devreleri üzerinde derinlemesine değişiklikler yapmak mümkün hale gelecek. Bu sayede örneğin, proteinlerin ayrıntılı atomik yapılarının izlenmesi sayesinde yeni ilaçların geliştirilmesi kolaylaşabilecek.

Nano ölçekli MRI yöntemini geliştirmek için 10 yılı aşkın bir süredir çalışan araştırmacılar, tıpta insan vücudunun görüntülenmesinde kullanılan geleneksel MRI cihazlarının 10 milyon katı daha duyarlı bir MRFM geliştirmeyi başardı. Ekip, John Mamin, Raffi Budakian ve Benjamin Chui’den oluşuyor.

Merkezi’nin nano ölçekli araştırmalardan sorumlu yöneticisi Daniel Rugar, yeni mikroskopla ilgili olarak, ‘Tarih boyunca, maddeyi daha iyi gözlemlemeye olanak sağlayan her beceri yeni keşifleri ve öngörüleri mümkün kıldı. İşte bu nedenle, tek bir molekülün görüntülenmesinin başarılması, nanoteknoloji ve biyolojide çok temel değişimlerin meydana gelmesine yol açacak’ diyor.

Nobel getiren çalışma

IBM araştırmacılarının, nanoteknoloji alanındaki çalışmaları 1970’li yıllara dayanıyor. Yine Zürih Araştırma Laboratuvarı’ndaki iki araştırmacı (Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer), uzun yıllar süren çalışmaları sonucunda geliştirdikleri ve atomu oluşturan parçacıkların görüntülenmesi dönemini başlatan ‘scanning tunneling microscope’ sayesinde 1986 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüşlerdi.

Söz konusu mikroskop, elektrikle iletken hale getirilen yüzeylerde tekil atomların görüntülenmesine imkan veriyordu.

Binnig daha sonra, iletken olmayan yüzeyler üzerindeki yüzey özellikleri ile manivela arasında çekim kuvvetini kullanan ‘atomic force microscope (AFM)’ geliştirdi.

IBM araştırmacıları, ileriki yıllarda AFM tasarımını manyetizma, sürtünme ve elektrostatik çekim gibi yüzey güçlerini nanometre çözünürlükte görüntülemeyi başardılar.

Hem AFM tasarımının hem de MRI yönteminin özelliklerini bünyesinde toplayan, yenilenen MRFM konsepti, bir örneklemin 100 nanometre içine kadar görüntü almaya imkan veriyor.

MRFM’in en önemli bileşenini mikroskobik silikon bir ‘manivela’ oluşturuyor. İnsan saçından 1000 kat ince olan bu manivela, saniyenin 5000’de biri kadar zaman aralıklarıyla titriyor ve ucunda küçük ama güçlü bir manyetik partikül olan manivela ucu bulunuyor.

İzole edilmiş elektronlar ve pek çok atomik çekirdekler, küçük çubuk mıknatıslar gibi davranış gösteriyorlar. Manyetizmanın bu temel birimi genellikle ‘dönüş (spin)’ olarak adlandırılıyor.

Tıpkı iki çubuk mıknatısın birbirini çekmesi ya da itmesi gibi MRFM’in manyetik ucu da, örnek maddedeki dönüşler tarafından itiliyor ya da çekiliyor.

Salınımlı yüksek frekanslı manyetik alan, görüntülenen dönüşün doğal eksen sapması frekansına ayarlanıyor ve manyetik oryantasyon, tıpkı manivelanın titreşimi gibi öne arkaya çevriliyor.

Manyetik uç ile dönüş arasındaki manyetik güç çok küçük (bir poundun trilyonda birinin milyarda biri kadar) olsa da, manivela o kadar duyarlı ki, elektronun dönüşü manivelanın titreme frekansı üzerinde tespit edilebilir bir değişim yaratıyor.

Tıbbi MRI yöntemlerinde en azından 1 trilyon proton dönüşü tespit edilirken, IBM araştırmacıları tek bir elektron ‘spin’in sinyalini tespit etmeyi başardı. IBM araştırmacıları, aynı zamanda 25 nanometre çözünürlükte tek boyutlu görüntü elde etmeyi de başardı. Bu ise geleneksel MRI temelli mikroskoplarına göre 40 kat daha iyi görüntü anlamına geliyor.

MRFM metodunun protein yapılarının tespitinde kullanılmasının çok büyük etkilerinin olması bekleniyor.

MRFM’in çalışması: MRFM, örnek maddenin yüzeyinin altına gömülmüş tek bir elektronun manyetik sinyalini tespit etmek için çok ince bir silikon manivela (sarı) ile nanometre boyutlarında bir manyetik uç (mavi) kullanıyor. Elektronun, ‘spin’ adlı kuantum mekaniği bulunuyor ve bu özellik manyetik ucu çeken ya da iten küçücük bir mıknatıs gibi davranıyor. ‘Spin’ ve uç arasındaki etkileşim, manivelanın titreşimine gibi hareket eden ve ‘titreşimli dilim (resonant slice)’ olarak adlandırılan örnek içindeki kase biçimindeki bölgede lokalize ediliyor. Bir bobin (sağda arkada) tarafından yaratılan yüksek frekanslı bir manyetik alanın yardımı ile elektronun yönelimi (yeşil ok), titreşimli dilimin gececeği şekilde dönüyor. Elektron ile manyetik uç arasındaki manyetik güç, elektron yönelimini her seferinde değiştirdiğinde çekim ve itim olarak karşılıklı olarak değişiyor; bu ise manivelanın frekansını çok küçük bir şekilde etkiliyor. Lazer ışını (solda) ise, manivelanın titreme frekansındaki değişiklikleri ölçmek için kullanılıyor.

MRFM ManivelasI:

Tekil bir elektronun manyetik alanını tespit edebilmek için resimdeki gibi son derece ince bir silikon mikromanivelanın ince hassasiyeti gerekiyor. IBM’in MRFM’inde kullanılan manivela 85 mikrometre uzunluğunda (kabaca insan saçı kalınlığında), mili ise 100 nanometre kalınlığında (yine kabaca insan saçının 1000’de biri kalınlığında). Manivela çok ince olduğu için son derece esnek ve çok çok küçük güçleri bile tespit edebilecek kadar duyarlı. Deneylerde çok küçük bir manyetik partikül manivelanın ucuna takıldı ve böylece MRFM’de kullanılması sağlandı.