William Esco Moerner

Günümüzde biyofizikte ve tek moleküllü maddelerin görüntülenmesinde çalışmalar yapan  Amerikalı fizikokimya profesörü ve bilim adamı William Esco Moerner, yoğun fazlardaki tek moleküllü maddelerin spektroskopisi ve ilk optik tespiti ile ilgili çalışmalardan sorumludur. Tek moleküllerin optik incelenişi, tek-molekül deneyinin kimya, fizik ve biyoloji alanlarında yaygın olarak kullanılmasını sağladı. 2014 yılında süper çözünürlüklü ışık mikroskopisi sayesinde Stefan Hell ve Eric Betzig’le birlikte Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü.

Hayatı

24 Haziran 1953’te San Francisco Körfezi’nin doğusundaki Pleasanton, Kaliforniya’da doğdu. Annesi Fox High Tech Lisesi’nde ingilizce öğretmenliği yapan Bertha Frances Robinson ve babası matematik ve fizik profesörü William Alfred Moerner’dir. Doğumundan altı hafta sonra Amerika’nın Teksas Eyaleti’ndeki en büyük ikinci şehir olan San Antonio’ya taşındılar. Kimyaya olan ilgisi babasının kimya profesörü bir tanıdığının anlattığı çalışmaları sayesinde başladı.

Moerner’in Annesi ve Babası

1957’de San Antonio’daki Madison İlköğretim Okulu’nda eğitim hayatına başladı ve daha o yıllarda matematik ve fen bilimleriyle ilgilendi. Beyzbol sporunda da başarılı olan Moerner, ailesinin hediye ettiği diyot ve transistör radyo setiyle fizik dalına yoğunlaştı. İlköğretimi sırasında izcilik de yapan Moerner, babası ve dedesi tarafından Eagle Scout Ödülü ile ödüllendirildi. İlk ve orta öğrenimi tamamladıktan sonra Longfellow Junior Lisesi’ne başladı. Okulunun orkestrasında klarnet ve fargot çalarak görev aldı. Aynı zamanda “Acadians” isimli gitar/halk müziği grubunda şarkılar da söyledi. Sahnelerin arkasındaki işlerin nasıl yürüdüğünü merak eden Moerner, montaj işlerinde de yer aldı. 8. sınıftayken bir bilim fuarında kalibre edilmiş bir pipetten sızan kısmı kullanarak çeşitli motor yağlarının viskozitesini  ölçerek Grand Ödülü’nü kazandı. Elektronik alanına olan ilgisi babasının desteği ve Abraham Marcus ve William Marcus tarafından yazılan Elements of Radio kitabıyla arttı.

Moerner ve Grand Ödülü Alan Çalışması

Babasının ve dedesinin desteğiyle evlerinin bir kısmını laboratuvar haline getirdi. Burada Robert Brent tarafından yazılan The Golden Book of Chemistry Experiments isimli kitabı kullanarak asit asit-baz reaksiyonları, yanan metal tozları ve pH ölçümleriyle ilgili deneyler yapmaya başladı. Deneyleri sırasında eski ve atılmış olan televizyonları toplayarak parçalarını kapasitörler, dirençler, bobinler, diyotlar gibi çeşitli gruplara ayırarak deneylerinde kullandı.

Kısa bir süre sonra lise eğitimine Thomas Jefferson Lisesi’nde devam etti ve burada annesinin “Sadece akıllı olmak yeterli değil, aynı zamanda çok yönlü olmalısın.” ve “Tembellik şeytanın atölyesidir.” öğütlerini dinleyerek aktivitelerini ve ilgi alanlarını artırdı. Okulunda kimya, fizik ve biyoloji topluluklarının dışında BiPhyChem, Matematik Kulübü ve Rus Kulübü gibi topluluklarda da aktif rol aldı. Çeşitli düşünce ve tartışma gruplarında da yer alan Moerner, okulun futbol takımında yer aldı, Each Has Spoken isimli bir derginin editörlüğünü yaptı ve yerel televizyon kanallarında düzenlenen etkinliklerde başkan olarak görev aldı. Elektroniğe olan ilgisi Heathkit radyosuyla arttı. Bu ilgisi sayesinde babasına ve kendisine Jeff’teki Radyo ve Elektrik Kulübü’nden sorumlu fizik öğretmeni Bay Greenburg tarafından amatör radyo lisansı verildi. Radyoyla ilgili yaptığı çalışmalar sayesinde lazerlere ilgi duymaya başladı.

1970 yılının yazında National Science Foundation’un New Orleans, Louisiana’da bulunan Loyola Üniversitesi’ndeki öğrenci eğitim programına katıldı. Burada elektronik, kimyasal kinetik ve bilgisayar bilimleriyle ilgilendi. Eğitimi sırasında yurtta kalan Moerner, bu programla pek çok rafineriyi ve araştırma merkezlerini gezme fırsatı buldu.

Lise öğrenimi boyunca yaşadığı en önemli olay rehber öğretmeni Blanche Rodriguez tarafından St. Louis, Missouri’deki Washington Üniversitesi’nin bir mühendislik bölümüne katılması için desteklenmesiydi. Çünkü Moerner, ailesinin Teksas’ta bir üniversite okuması gerektiği düşüncesine karşı çıkarak yeni bir bakış açısı ve dünya görüşü kazandığını düşünmüştü.

Üniversiteye başlamadan önce San Antonio Texas Üniversitesi Sağlık Bilimleri Merkezi’nde görevli doktor Richard G. Domey’in yanında bilgisayar programcısı olarak çalışma fırsatı yakaladı. Bu sayede FORTRAN proglama dilini öğrendi ve geliştirdi, aynı zamanda deniz bilimleriyle ilgilendi. Japonya’daki Kuroshio Denizi’ndeki organizmaların dağılımının analiziyle ilgili Dr. Domey tarafından yazılan makale, Moerner’in ilk yayımıydı.

Vietnam Savaşı sırasında askerliğini yapmak üzere görevlendirilen Moerney, gözlerinin ileri derecede bozuk olması sebebiyle askerlik görevinden  muaf tutuldu ve bu durumu kesintisiz çalışma olanağı olarak değerlendirdi.

Üniversite eğitimine Washington Üniversitesi’nde elektrik ve elektronik mühendisliği bölümüyle başladı. Burada büyük başarıyla tamamladığı ortak dersler sayesinde Fizik Bölümü, Elektrik Mühendisliği Bölümü ve Fen Bilimleri’nden olmak üzere üç diploma almaya hak kazandı. Bu başarısı üniversite tarafından verilen Ethan A. H. Shepley Ödülü ile tanınmasını sağladı.

Üniversite eğitimi sırasında tekrar müzikle ilgilendi ve arkadaşı W. Wayne Ritchie sayesinde Second Presbyterian Kilisesi’nde şarkı söylemeye başladı. Aynı zamanda Fizik Bölümü profesörü James G. Miller’in grubuna katılarak önemli deneylerde görev aldı. Böylece tıpta özellikle kardiyoloji alanında sıkça kullanılan ultrasonun ve ultrasonun uygulama alanlarının gelişimine önemli katkıda bulundu. Miller’in ortağı Harry Ringermacher ile birlikte rezanotörlerle ilgili çalışmalar yaptı. Bu çalışmalar 1989’da tek-molekül tespiti için oldukça yardımcı çalışmalardı.

Katı hal fiziğindeki başarıları sayesinde yüksek lisans eğitimi için Cornell Üniversitesi’ne başvurdu Burada da müzikle ilgilenen Moerner, bu kez Ithaca A Cappella isimli bir grupta solistlik yaptı. Buradaki çalışmaları sayesinde National Science Foundation tarafından desteklendi ve düşük sıcaklık fiziği ile ilgili bir grubun başkanlığını yapan Prof. Robert Richardson’un yanında yer aldı. Yüksek lisans eğitimi sırasında süperakışkan olan 3He ile ilgili çalışmalar da yaptı.

Ocak 1976’da Prof. Albert J. Sievers’in başkanlık ettiği bir grupta spektroskopi alanındaki çalışmalarına başladı. Çalışma alanı fononlar, saf olmayan katılar, süperiletkenlik, moleküllerin ve yüzeylerin dış titreşimsel halleri gibi konulardan oluşuyordu. Daha sonra kendisine, bizmutu (Bi) bir uzak kızılötesi bölgesi (FIR) kaynağı ve indiyum antimoniti (InSb) de Spin-flip Raman Lazeri (SFR laser) olarak kullanması gerektiği önerildi. Bununla ilgili yaptığı çalışmaların çoğunda başarısız oldu. Aynı zamanda çok yüksek basınçlı hidrojenle oluşturulan paladyum hidrürün süperiletkenlik özelliklerini içeren bir projede görev aldı. Gaz halindeki hidrojen katılaşmış metallere zarar verdiği için, Moerner hidrojeni bir BeCu hücresinde sıvılaştırmak ve sonrasında da 25.000 psi basınç altında buharlaştırmak zorunda kaldı.

İlgi alanı daha sonra alkali halojenür kristallerindeki moleküler safsızlığın titeşimli kızılötesi durumuna kaydı. Yaptığı çalışmalar sayesinde alkali halojenür kristallerinde bulunan anyonun yerini alabilen perhenat  (ReO₄) konusunda uzmanlaştı. Belirli CO₂ lazer çizgilerinin perhenat molekülünün bir titreşimsel moduyla rezonans yapıda olduğunu gözlemledi. Daha önce keşfettiği kristal yapıdaki ReO₄‘ün düşük sıcaklık altında saf olmayan genişletilmiş emilim profilini “Photophysical spectral hole-burning” yöntemi olarak adlandırdı ve bununla ilgili çalışmalara devam etmek isteyen Moerner’in ayarlanabilir lazerlere ihtiyacı vardı.  Bu lazerler sayesinde çift CO₂ lazer yaklaşımı geliştirdi.

Moerner, Albert J. Sievers III ve Andy Chraplyvy  ReO₄ molekülü ile çalışırken

1979 yılında birkaç yıldır göğüs kanseriyle savaşan annesini kaybetti ve bu durum çalışmalarını oldukça etkiledi. Annesinin ölümünden birkaç yıl sonra babası Meksikalı Maria Esther Soto Vertiz’le evlendi.

Ithaca’ya geri dönerek ReO₄^– ile yaptığı çalışmayla ilgili 619 sayfalık yazdığı tezle Cornell Üniversitesi’nden yüksek lisans ve doktora diplomalarını aldı.

Bell Laboratuvarları’ndan gelen teklifi reddederek San Jose’deki IBM Research’e araştırma görevlisi olarak katıldı. Cornell’deki çalışmaları Moerner’i frekanslı optik depolama alanı için görünür bölgede spektral bir yöntemin geliştirilmesi konusunda teşvik etti. Bu amacı için San Francisco Körfez Bölgesi’ne taşındı. IBM Research’ye başkanlık eden George Castro, Ed Engler ve Jerry Swalen sayesinde lazer spektroskopisi alanında çalışan önemli insanlarla tanışma fırsatı buldu. Kendisine tek molekülün tespiti için kullanılan, ultra hassas lazer FM spektroskopisi yöntemini öğreten Gary Bjorklund, Marc Levenson, Roger Macfarlane, Bob Shelby ve Grant Wilson, Robert Twieg gibi büyük kimyagerler çalıştığı insanlardan yalnızca birkaçıydı. Bu sayede fizikokimya alanıyla ilgilenmeye başladı. Roger ve Bob hole-burning yöntemi için inorganik maddeleri kullanmıştı, bu yüzden Moerner bu yöntemi organik maddelerle birlikte çalışarak denemeye karar verdi.

Aynı zamanda meslektaşı Dietrich Haarer’in Almanya’ya dönmesiyle Haarer’in yerini aldı ve bu sayede elektronik geçişler, fotofizik ve katılardaki organik moleküllerin fotokimyası alanlarında çalışma fırsatı buldu. Yeni çalışma alanında meslektaşları Texas Üniversitesi’nden Dick Caldwell ve Wesleyan Üniversitesi’nden Bryan Kohler yardım etti. Bu alanda deneyler yaparken Nick Turro’nun Modern Molecular Photochemistry isimli kitabından yararlandı.

1982’de müzik yeteneğini geliştirmek ve laboratuvar ortamında insanlarla tanışmaktan kaçınmak için Gilbert ve Sullivan Topluluğu’na katıldı. Buraya katıldığında topluluğun müdürü Ruth Stein’in Oberlin Koleji’nden mezun olan ve tacize uğrayan çocuklar için danışmanlık yapan kızı Sharon Stein ile eşleşti. Birlikte geçirdikleri vakit sonucunda 19 Haziran 1983’te evlendiler. Evlendikten sonra eşi Sharon, San José Eyalet Üniversitesi’nde psikoloji alanında yüksek lisans ve doktora eğitimini tamamladı.

1986’da San Jose’deki Almaden Valley’e taşınmadan önce Fremont, Kaliforniya’da yaşadılar.

William E. Moerner ve Sharon Stein’in düğününden

1984’te meydana gelen bir deprem sebebiyle Moerner, acil durumlarda iletişimin sağlanması için radyo alanında aldığı lisansı yeniledi. Aynı zamanda eşi Sharon, depremden etkilenen 13 şehri kapsayan Santa Clara Valley Section isimli bir sivil toplum kuruluşunda bölge koordinatörü olabilmek için çalıştı.

1987’de Tom Carter’le başladığı deneylerine iki  yılın sonunda Lothar Kador ile birlikte katı bir molekülün ilk optik tespiti ve spektroskopisi alanında çalışarak devam etti.

10 Şubat 1991’de Daniel Everett ismini verdikleri bir oğulları oldu.

1990’lı yılların başlarında IBM’nin 8 milyar dolarlık bir kayıp yaşamasının ardından Moerner alternatif kariyer yolları aramaya başladı. IBM’deki yöneticilerinin desteğiyle 1993-1994 yılları arasında ETH Zürih’te  (İsviçre) Prof. Dr. Urs. P. Wild’in laboratuvarında profesörlük yaptı. Bu laboratuvarda kısa süreli bulunması tek molekül spektroskopisi alanındaki çalışmalarına önemli katkıda bulundu.

ETH Zürih’in ardından fizik ve kimya bölümleri başta olmak üzere birçok üniversiteden teklif aldı fakat en iyi teklifin Kaliforniya Üniversitesi’nin Kimya ve Biyokimya Bölümü’nden gelmesiyle burada profesörlük yapmaya başladı. Kısa bir süre sonra fizikokimya alanında profesör olarak görev aldı çünkü kimyasal ve biyolojik sistemlere, polimer dinamikleri, fotorefraksiyon için olan moleküller,  biyofizik ve 2008’de Roger Tsien’e Nobel Ödülü kazandıran yeşil florasan proteinler ile ilgili çalışma alanlarına ilgi duyuyordu.

1997 yılında Stanford ve Harvard’tan teklif aldı. Eşi Sharon’un da durumu ciddi ve birçok hastası olunca Stanford’a taşınmaya karar verdi. 1998’de Stanford Üniversitesi Kimya Bölümü’nde profesör olarak işe başlayan Moerner, daha sonra Harry S. Mosher Kimya Profesörü olarak devam etti. 2005 yılında Uygulamalı Fizik Bölümü’nde profesörlük yaptı. 2011 ve 2014 yılları arasında Kimya Bölümü Başkanı seçildi.

Moerner ve ailesi

Ödüller ve Onurlar

• 1984 – National Winner of the Outstanding Young Professional Ödülü
• 22 Nisan 1985 – Elektrik mühendisliği onur topluluğu olan Eta Kappa Nu’dan Onur Ödülü
• 11 Temmuz 1988 – Photon – Gated Specktral Hole – Burning yöntemi için IBM Outstanding Technical Achievement Ödülü
• 22 Kasım 1992 – Tek Molekül Tespiti ve Spektroskopisi çalışmasından dolayı IBM Outstanding Technical Achievement Ödülü
• 2001 – American Physical Society tarafından Moleküler Spektroskopi için Earle K. Plyler Ödülü
• 2008 – Wolf Prize in Chemistry
• 2009 – American Physical Society tarafından Kimyasal Fizik’te Irving Langmuir Ödülü
• 2012 – Pittsburgh Specktroscopy Ödülü
• 2013 – Amerikan Kimya Derneği tarafından Peter Debye Ödülü
• 2013 – Washington Üniversitesi tarafından Engineering Alumni Achievement Ödülü
• 2014 – Nobel Kimya Ödülü

Moerner aynı zamanda Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi, IEEE, The Optical Society, American Physical Society, American Academy of Arts and Sciences ve Amerikan Bilimsel Gelişme Birliği gibi toplulukların üyesidir.