Atomların çekirdeğinde bulunan protonlar ve nötronlar, küçük dönen mıknatıslar gibi davranırlar. Bir maddeyi güçlü bir manyetik alanın içine yerleştirdiğinizde, atom çekirdekleri bu alan doğrultusunda hizalanır.
Daha sonra örneğe radyo dalgaları gönderildiğinde, çekirdekler bu hizalanmış durumdan çıkarılabilir. Eski konumlarına geri döndüklerinde ise bir sinyal yayarlar. Bu sinyalin rezonans frekansı her atom türü için kendine özgüdür ve daha da önemlisi, atomun çevresindeki kimyasal ortam tarafından şekillendirilir.
Kimyagerler bu sinyalleri okuyarak bir molekülün yapısını onu yok etmeden çözebilirler.
Ancak 1960’ların başında büyük bir sorun vardı: duyarlılık.
Standart yöntem, radyo frekans spektrumunu yavaş yavaş tarıyor ve her seferinde yalnızca dar bir frekans aralığını uyarıyordu. Bu, eski bir radyoda istasyonları tek tek aramaya benziyordu.
Bu sürekli dalga yaklaşımı son derece verimsizdi.
Varian şirketinde Richard Ernst, NMR alanının en yaratıcı isimlerinden biri olan Weston Anderson ile birlikte çalışıyordu. Anderson farklı bir yaklaşım üzerinde düşünüyordu.
Frekansları tek tek taramak yerine, tüm spektrumu aynı anda uyaran kısa ve geniş bantlı tek bir darbe gönderilse ne olurdu?
Bu durumda tüm çekirdekler aynı anda tepki verecekti. Ortaya çıkan sinyal karmaşık ve iç içe geçmiş olacaktı. Buna serbest indüksiyon bozunumu (Free Induction Decay, FID) adı verilir ve tüm rezonans bilgilerini aynı anda içerir.
Sorun bu karmaşık sinyali çözmekti.
Çözüm Fourier dönüşümüydü.
Bu yöntem, 19. yüzyılın başlarında Fransız matematikçi Joseph Fourier tarafından geliştirilen matematiksel bir işlemdir. Karmaşık bir sinyali, onu oluşturan ayrı frekans bileşenlerine ayırır.
Bunu şöyle düşünebiliriz:
Birden fazla müzisyen aynı anda çaldığında kulağımız birleşik bir ses duyar. Fourier dönüşümü ise bu karışımın içindeki her enstrümanı ayrı ayrı ortaya çıkaran matematiksel bir araçtır.
Zaman alanındaki karmaşık bir sinyali, frekans alanında temiz bir spektruma dönüştürür.
Ernst ve Anderson deneyi kurdular.
1964 yılında Palo Alto’daki bilgisayar kaynakları bu işlem için ancak yeterliydi. Ham veriler kâğıt şeritlere kaydediliyordu.
Bu şeritler şehirdeki bir IBM bilgisayar merkezine götürülüyor ve Fourier dönüşümü orada hesaplanıyordu.
Sonuçlar 1966 yılında Review of Scientific Instruments dergisinde yayımlandı.
Yeni yöntem, temel ölçümlerde yaklaşık 10 kat duyarlılık artışı sağladı. Geniş bant ayrıştırma teknikleriyle birlikte kullanıldığında ise Karbon-13 spektroskopisinde yaklaşık 100 kat daha yüksek duyarlılık elde edildi.
Karbon-13 organik kimyanın temel yapı taşlarından biridir.
Daha önce NMR ile neredeyse görülemez durumdaydı.
Artık açıkça gözlemlenebiliyordu.
Fakat bilim dünyasının ilk tepkisi şaşırtıcı derecede kayıtsız oldu.
Makale önce alanın en prestijli dergilerinden biri olan Journal of Chemical Physics’e gönderildi.
Reddedildi.
Tekrar gönderildi.
Yine reddedildi.
Sonunda Review of Scientific Instruments dergisinde yayımlandı.
Bu saygın bir dergiydi, ancak keşfin büyüklüğüne uygun bir sahne değildi.
Patent haklarını elinde bulunduran Varian şirketi de yeni yöntemle çalışan ticari bir spektrometre üretmeyi reddetti.
Mühendisler şüpheciydi.
Satış ekipleri temkinliydi.
Böylece buluş patentlenmiş olmasına rağmen kullanılmadan bekledi.
Bu sırada Alman şirketi Brüker Analytische Messtechnik, 1969 yılında ilk ticari Fourier dönüşümlü NMR spektrometresini geliştirdi ve piyasaya sürdü.
Bu durum Varian yönetimini büyük ölçüde şaşırttı.
Richard Ernst ise 1968 yılında İsviçre’ye geri döndü.
İşvereninin, devrim niteliğindeki bu ilerlemeyi değerlendirememiş olmasından dolayı büyük hayal kırıklığı yaşıyordu.
Ancak kariyerinin en önemli çalışmaları henüz önündeydi.
1971 yılında Belçikalı fizikçi Jean Jeener, Yugoslavya’da düzenlenen bir yaz okulunda gayriresmî bir konuşma yaptı.
Bu konuşmada, daha sonra iki boyutlu NMR spektroskopisi olarak bilinecek fikri ortaya attı.
Yayımlanmamış olsa da bu fikir, modern NMR’ın ve yapısal biyolojinin geleceğini değiştirecek kadar önemliydi.
Sonunda bu hikâye, bilim tarihindeki en ilginç örneklerden biri haline geldi.
Richard Ernst’in başına ne geldi?
İlk Fourier Dönüşümlü NMR çalışması yıllarca yeterince takdir edilmedi. Ancak zamanla bilim insanları bu yöntemin olağanüstü gücünü fark ettiler.
Richard Ernst, Jean Jeener’in iki boyutlu NMR fikrini alıp geliştirdi ve pratiğe dönüştürdü.
Bunun sonucunda:
* Fourier Dönüşümlü NMR standart yöntem haline geldi.
* İki Boyutlu NMR (2D NMR) geliştirildi.
* Karmaşık organik moleküllerin yapıları çözülebilir hale geldi.
* Proteinlerin ve biyolojik moleküllerin incelenmesinde devrim yaşandı.
Nobel Ödülü
1991 yılında Richard R. Ernst, NMR spektroskopisinin geliştirilmesine yaptığı katkılar nedeniyle kimya Nobel Ödülü’nü kazandı.
Bugün kullanılan modern NMR cihazlarının neredeyse tamamı onun geliştirdiği Fourier dönüşümlü yaklaşım üzerine kuruludur.
Daha da büyük sonuç
Bu çalışmalar olmasaydı:
* Modern ilaç tasarımı çok daha yavaş ilerlerdi.
* Protein yapılarının önemli bir kısmı çözülemezdi.
* Biyokimya ve moleküler biyoloji büyük ölçüde geride kalırdı.
Bilimsel ders
Bu hikâyenin ilginç yanı Nobel değil.
Asıl ders şudur:
Bir makale iki kez reddedildi.
Şirket kendi patentini kullanmadı.
Rakip firma teknolojiyi piyasaya sürdü.
Ve birkaç on yıl sonra aynı çalışma Nobel Ödülü kazandı.
Bilimde bazen bir fikrin doğru olması yeterli değildir. Dünyanın onun doğru olduğunu anlaması yıllar hatta onlarca yıl sürebilir.
Bu yüzden Richard Ernst’in hikâyesi, “reddedilen ama sonunda bilimi değiştiren fikirlerin” en ünlü örneklerinden biridir.
Kaynak: bilim ve teknolojig int.sit. alıntıdır.
Yazar
