Devrimsel yeni adım Atomun MR’ı çekildi

IBM araÅŸtırmacıları, 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 baÅŸardı.Atomların yapısını gözlemlemeye az kaldı. IBM araÅŸtırmacıları, ilk aÅŸamada moleküllerin daha sonra da bireysel atomların üç boyutlu görüntülerini izlemeye imkan verecek bir mikroskop geliÅŸtirme çalışmalarında büyük adım attı. ABD- San Jose kentindeki IBM Almaden AraÅŸtırma Merkezi’nde araÅŸtırmacılar, 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 gerçekleÅŸtirdiler. Molekülleri görüntülemeye imkan veren ‘magnetic resonance force microscope (MRFM)’ adlı mikroskobun yetkinleÅŸtirilmesi için IBM araÅŸtırmacıları 10 yılı aÅŸkın bir süredir çalışıyor. Devrimsel sonuçlarNano ölçekteki yapılardaki atomların yerlerini kesine yakın düzeyde tespit etmek gen, ilaç, tıp araÅŸtırmalarının yanı sıra endüstriyel araÅŸtırmalarda da devrim niteliÄŸinde sonuçlar doÄŸurabilme potansiyeline sahip. Madde üzerinde bu kadar detaylı görüntülemeye imkan veren mikroskopların geliÅŸtirilmesiyle, proteinler, ilaç hammaddeleri, elektrik devreleri üzerinde derinlemesine deÄŸiÅŸiklikler yapmak mümkün hale gelecek. Bu sayede örneÄŸin, proteinlerin ayrıntılı atomik yapılarının izlenmesi sayesinde yeni ilaçların geliÅŸtirilmesi kolaylaÅŸabilecek. Nano ölçekli MRI yöntemini geliÅŸtirmek için 10 yılı aÅŸkın bir süredir çalışan araÅŸtırmacılar, tıpta insan vücudunun görüntülenmesinde kullanılan geleneksel MRI cihazlarının 10 milyon katı daha duyarlı bir MRFM geliÅŸtirmeyi baÅŸardı. Ekip, John Mamin, Raffi Budakian ve Benjamin Chui’den oluÅŸuyor. Merkezi’nin nano ölçekli araÅŸtırmalardan sorumlu yöneticisi Daniel Rugar, yeni mikroskopla ilgili olarak, ‘Tarih boyunca, maddeyi daha iyi gözlemlemeye olanak saÄŸlayan her beceri yeni keÅŸifleri ve öngörüleri mümkün kıldı. Ä°ÅŸte bu nedenle, tek bir molekülün görüntülenmesinin baÅŸarılması, nanoteknoloji ve biyolojide çok temel deÄŸiÅŸimlerin meydana gelmesine yol açacak’ diyor.Nobel getiren çalışmaIBM araÅŸtırmacılarının, nanoteknoloji alanındaki çalışmaları 1970’li yıllara dayanıyor. Yine Zürih AraÅŸtırma Laboratuvarı’ndaki iki araÅŸtırmacı (Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer), uzun yıllar süren çalışmaları sonucunda geliÅŸtirdikleri ve atomu oluÅŸturan parçacıkların görüntülenmesi dönemini baÅŸlatan ‘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)’ geliÅŸtirdi. IBM araÅŸtırmacıları, ileriki yıllarda AFM tasarımını manyetizma, sürtünme ve elektrostatik çekim gibi yüzey güçlerini nanometre çözünürlükte görüntülemeyi baÅŸardılar. 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 bileÅŸenini mikroskobik silikon bir ‘manivela’ oluÅŸturuyor. Ä°nsan 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. Ä°zole edilmiÅŸ 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 doÄŸal eksen sapması frekansına ayarlanıyor ve manyetik oryantasyon, tıpkı manivelanın titreÅŸimi 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 deÄŸiÅŸim yaratıyor. Tıbbi MRI yöntemlerinde en azından 1 trilyon proton dönüşü tespit edilirken, IBM araÅŸtırmacıları tek bir elektron ‘spin’in sinyalini tespit etmeyi baÅŸardı. IBM araÅŸtırmacıları, aynı zamanda 25 nanometre çözünürlükte tek boyutlu görüntü elde etmeyi de baÅŸardı. 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 mekaniÄŸi bulunuyor ve bu özellik manyetik ucu çeken ya da iten küçücük bir mıknatıs gibi davranıyor. ‘Spin’ ve uç arasındaki etkileÅŸim, manivelanın titreÅŸimine gibi hareket eden ve ‘titreÅŸimli dilim (resonant slice)’ olarak adlandırılan örnek içindeki kase biçimindeki bölgede lokalize ediliyor. Bir bobin (saÄŸda arkada) tarafından yaratılan yüksek frekanslı bir manyetik alanın yardımı ile elektronun yönelimi (yeÅŸil ok), titreÅŸimli dilimin gececeÄŸi ÅŸekilde dönüyor. Elektron ile manyetik uç arasındaki manyetik güç, elektron yönelimini her seferinde deÄŸiÅŸtirdiÄŸinde çekim ve itim olarak karşılıklı olarak deÄŸiÅŸiyor; bu ise manivelanın frekansını çok küçük bir ÅŸekilde etkiliyor. Lazer ışını (solda) ise, manivelanın titreme frekansındaki deÄŸiÅŸiklikleri 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 uzunluÄŸunda (kabaca insan saçı kalınlığında), mili ise 100 nanometre kalınlığında (yine kabaca insan saçının 1000’de biri kalınlığında). Manivela çok ince olduÄŸu 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 saÄŸlandı. Â