Allerdings untersuchen Forscher die meisten Nanomaterialien immer noch mit Massenverfahren, die den Durchschnitt über große Proben bilden, anstatt einzelne Nanostrukturen mit echten Nanosensoren zu untersuchen. Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein entscheidender Faktor für die biochemische Synthese und die medizinische Bildgebung, aber sie ist naturgemäß auf eine große Anzahl von Molekülen beschränkt. Als Antwort auf diese Herausforderung zielt das neue Projekt 4D-NMR darauf ab, die Kernspinresonanztechnologie (NMR) zu revolutionieren, indem ihre Empfindlichkeit und Auflösung verbessert wird, um einzelne Moleküle im Nanobereich abzubilden. Das 4D-NMR-Team wird dazu die atomaren Auflösungsfähigkeiten der Rastersondenmikroskopie (SPM) zusammen mit resonanten, hochfrequenten elektromagnetischen Anregungs- und Ausleseverfahren nutzen. Letztere werden auch bedeutende Fortschritte in der GHz- und HF-Technologie umfassen. Das Projekt bringt fünf Partner aus Österreich, Israel, Italien, Spanien und dem Vereinigten Königreich zusammen. In den nächsten drei Jahren wird das Projekt mit insgesamt mehr als 3 Millionen Euro aus dem Pathfinder-Programm des Europäischen Innovationsrats (EIC) gefördert, das die Erforschung mutiger Ideen für radikal neue Technologien unterstützt.

Ziel von 4D-NMR ist die Entwicklung einer Einzelmolekül-Magnetresonanzmikroskopie (MRM)-Technologie, die die Identifizierung der chemischen 3D-Strukturen komplexer Moleküle in drei Dimensionen ermöglicht. Die Entwicklung dieser Technologie soll die NMR-Spektroskopie revolutionieren und sie in ein bildgebendes Verfahren mit submolekularer räumlicher Auflösung verwandeln. Durch die Anwendung synchronisierter magnetischer Impulsanregungen wird die 4D-NMR die Dynamik der untersuchten Probe in die vierte Dimension übertragen. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf Bereiche wie Biowissenschaften, Materialwissenschaften und chemische Anwendungen haben, wo Prozesse mit kleinen Mengen chemischer oder biologischer Moleküle nachgewiesen werden müssen. Die Tatsache, dass diese Technologie nicht nur im Vakuum, sondern auch an Ort und Stelle in Flüssigkeiten eingesetzt werden kann, macht sie für diese Bereiche besonders interessant. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil gegenüber kommerziellen NMRs dar.

"Ziel ist es, ein System zu etablieren, das auf der Ebene einzelner Spins in komplexen Spinsystemen arbeiten kann. Mit der Fähigkeit, einzelne Spins aufzulösen, werden Forscher*innen ein tieferes Verständnis molekularer Wechselwirkungen und Prozesse auf atomarer Ebene erlangen können, was einen bedeutenden Einfluss auf eine Reihe von Branchen haben wird, darunter Pharmazeutika, Materialwissenschaften und Biotechnologie", sagt Projektkoordinator Dr. Georg Gramse vom Institut für Biophysik der Johannes Kepler Universität Linz.