IBM (NYSE: IBM) hat bekannt gegeben, daß Forscher des IBM Almaden Research Center den Einsatz von Magnetresonanzbildtechnik (Magnetic Resonance Imaging, MRI) zur Visualisierung von Objekten im Nanometer-Bereich vorgeführt haben.
Diese Technik macht die MRI-Nutzung zum ersten Mal im Nanobereich verfügbar und ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem Mikroskop, das einzelne Atome in drei dimensionaler Auflösung „sehen“ könnte.
Durch den Einsatz von Magnetresonanzkraft-Mikroskopie (MFRM) haben die IBM Forscher eine zweidimensionale Abbildung von Objekten in einer Größe von nur 90 Nanometern vorgeführt. Dies ist ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zur dreidimensionalen Abbildung von Objekten im atomaren Größenbereich. Eine solche Bildtechnik könnte ein besseres Verständnis beispielsweise der Funktionsweise von Proteinen fördern. Dies könnte auch zu einer effizienteren Entwicklung von Medikamentenwirkstoffen führen.
MFRM ermöglicht eine Bilddarstellungsempfindlichkeit, die bis zu 60.000 mal besser ist als die gegenwärtiger Magnetresonanz-Bildtechnologie (MRI).
MFRM nützt dabei etwas, das als Force Detection („Kraftentdeckung“) bekannt ist, um die Empfindlichkeitsgrenzen konventioneller MRI zu überwinden. Damit können Strukturen gesehen werden, die andernfalls zu klein für eine Darstellung wären.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, haben die Forscher spezielle magnetische Spitzen für ihr Mikroskop entwickelt, und damit dessen Fähigkeit optimiert, den ultraschwachen Magnetismus von Atomkernen zu messen und zu beeinflussen. Konventionelle medizinische MRI arbeitet in einer Größenordnung, die mindestens eintausendmal „gröber“ ist; sogar die spezialisierteste MRI-Mikroskopie war bisher limitiert bei einer Auflösung von circa 3 Mikrometern, oder 3000 Nanometern.
Dieses Ergebnis könnte auch einen großen Effekt auf die künftige Untersuchung und Entwicklung von Materialien haben – angefangen von Proteinen über Pharmazeutika bis hin zu integrierten Schaltkreisen. Für die Nutzung vieler Materialien ist ein detailliertes Verständnis ihrer atomaren Struktur essentiell. Die Kenntnis des genauen Aufenthaltsorts bestimmter Atome innerhalb winziger nanoelektronischer Strukturen etwa würde das Wissen um Leistungsfähigkeit und Fertigungsmöglichkeit von Materialien weiter vertiefen. Die Möglichkeit beispielsweise, detaillierte Strukturen von Proteinenmolekülen abbilden zu können, wäre bei der Entwicklung neuer Medikamente hilfreich.
Seit mehr als einem Jahrzehnt haben IBM Forscher wichtige Pionierarbeit bei der MRFM-Technik geleistet. Mit dem jüngsten Durchbruch ist das Team jetzt in der Lage, Bilder mit einer Auflösungsuntergrenze von nur 103 Atomen (ca. 90 Nanometer) aufnehmen zu können. Die erhöhte Auflösung erweitert damit die MRI-Technik in den Nanometer-Bereich. Vom Nanometer-Bereich spricht man üblicherweise bei Größenordnungen unterhalb 100 Nanometer. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter, das ist eine Länge, in die etwa 5-10 Atome in einer Reihe passen.
Die IBM Forschung hat eine reiche Geschichte hinsichtlich der Entwicklung von Mikroskopen für Bilddarstellung und Wissenschaft im Nanobereich.
Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom Züricher IBM Forschungslabor haben 1986 den Nobelpreis für Physik für ihre Erfindung des Rastertunnelmikroskops erhalten, das individuelle Atome auf elektrisch leitenden Oberflächen darstellen kann.
Der Bericht über die heute vorgestellte Arbeit „Nuclear magnetic resonance imaging with 90-nm resolution,” by H. J. Mamin1, M. Poggio1,2, C. L. Degen1 and D. Rugar1 at IBM Research Division1, Almaden Research Center, San Jose, California and the Center for Probing the Nanoscale, Stanford University2 erscheint in der Ausgabe vom 22. April 2007 der Zeitschrift Nature Nanotechnology.
Weitere Informationen in der original englischsprachigen Presseinformation anbei. Fachartikel auf Anfrage verfügbar.
IBM Milestone Brings MRI Technology to the Nanoscale
Achievement marks significant advance toward the imaging of molecular structures
SAN JOSE, Calif. (April 23, 2007) — IBM today announced that researchers at its Almaden Research Center have demonstrated magnetic resonance imaging (MRI) techniques to visualize nanoscale objects. This technique brings MRI capability to the nanoscale level for the first time and represents a major milestone in the quest to build a microscope that could „see“ individual atoms in three dimensions.
Using Magnetic Resonance Force Microscopy (MFRM), IBM researchers have demonstrated two-dimensional imaging of objects as small as 90 nanometers, a key advancement on the path of 3D imaging at the atomic scale. Such imaging could ultimately provide a better understanding of how proteins function, which in turn may lead to more efficient drug discovery and development.
“This research brings us one step closer in our quest to build a microscope that we hope can eventually see atoms in three dimensions,” said Dan Rugar, manager, Nanoscale Studies, IBM Research. “This would allow scientists to study the the atomic structures of molecules — such as proteins — which would represent a huge breakthrough in structural molecular biology.“
MFRM offers imaging sensitivity that is 60,000 times better than current magnetic resonance imaging (MRI) technology. MFRM uses what is known as force detection to overcome the sensitivity limitations of conventional MRI to view structures that would otherwise be too small to be detected.
To achieve this, the research team developed specialized magnetic tips for their microscope, optimizing their ability to manipulate and detect the very weak magnetism of atomic nuclei. Conventional medical MRI typically operates on a scale at least 1,000 times coarser; even the most specialized MRI microscopy is limited to about 3 micrometers, or 3,000 nanometers.
This achievement could eventually have major impact on the study of materials — ranging from proteins and pharmaceuticals to integrated circuits — for which a detailed understanding of the atomic structure is essential. Knowing the exact location of specific atoms within tiny nanoelectronic structures, for example, would enhance designers‘ insight into manufacture and performance. The ability to directly image the detailed atomic structure of proteins would aid the development of new drugs.
For more than a decade, IBM researchers have been making pioneering advancements in MRFM. With this latest achievement, the team is now able to make images with as few as 103 atoms as opposed to the 108 atoms required to make an image with today’s MRI technology. This improved sensitivity extends MRI into the nanometer realm. (The nanometer realm is typically considered to be at dimensions below 100 nanometers; a nanometer is a billionth of a meter, the length spanned by about 5-10 atoms.)
IBM Research has a distinguished history in developing microscopes for nanoscale imaging and science. Gerd Binnig and Heinrich Rohrer of IBM’s Zurich Research Laboratory received the 1986 Nobel Prize in Physics for their invention of the scanning tunneling microscope, which can image individual atoms on electrically conducting surfaces.
The report on this work, “Nuclear magnetic resonance imaging with 90-nm resolution,” by H. J. Mamin1, M. Poggio1,2, C. L. Degen1 and D. Rugar1 at IBM Research Division1, Almaden Research Center, San Jose, California and the Center for Probing the Nanoscale, Stanford University2 will appear in the April 22 issue of Nature Nanotechnology.
About the IBM Research Division
IBM Research is the world’s largest information technology research organization, with about 3,000 scientists and engineers in eight labs in six countries. IBM has produced more research breakthroughs than any other company in the IT industry. For more information on IBM Research, visit http://www.research.ibm.com.
