İşte Atomlar! Atomların “Fotoğrafları”
Yandaki şekilde IBM Laboratuvarları’nda nikel (Ni) atomlarının bilgisayarla renklendirilmiş konumlarını görüyorsunuz. Miletoslu Leukippos (MÖ 5. yüzyıl), her şeyin aslı su, hava, toprak veya ateştir diyenlere karşı “hayır sizin bu asıl dediğiniz maddeler de atomlardan yapılıdır” diye karşı çıkmıştı. Bu görüşü onun yetenekli öğrencisi Democritos (MÖ 460-370), daha da geliştirdi ve Abdera’da (Trakya) “atomcu okul”u kurdu. Atom kavramı ortaya atılalı yaklaşık 2500 yıl geçti. Doğa hakkındaki böyle bir hayal gücünün bunca zaman sonra doğrulanmış olması şaşırtıcıdır.
17. yüzyılda Galileo, Newton, Gassendi gibi bilgeler ve filozoflar atomu savunsa da Descartes, Leibniz, Kant gibileri reddetmiştir.
John Dalton (1766-1844) bilimsel ilk atom kuramını 1808’de yayımladı, yani bundan 200 yıl önce. 19. yüzyıl sonunda Boltzmann, atomun varlığını savunduğu için fizikçi Mach’ın aşağılamasına maruz kalıyordu. Kendi canına kıymasının bu aşağılamada ciddi bir rol oynadığına inanılmaktadır. Kimyacılar, iki yüz yıldır atomun varlığına inanırken, 1905’te Einstein, 1913’te Bohr gelmeseydi fizikçiler atomun varlığını zor kabul edeceklerdi! Fakat 20. yüzyılda atom konusundaki buluşların çoğuna fizikçilerin imza attığını da inkâr etmemek gerek. Amerikalı büyük fizikçi Richard P. Feynman (1918-1988, Fizik Nobel 1965) 1959’da atomik düzeydeki potansiyel inşaat alanına dikkat çeken ilk bilimciydi. Dipte Çok Yer Var (There’s Plenty of Room at the Bottom) adlı konuşmasında nanoteknolojinin gelecekte oynayacağı role vurgu yapmıştı. Kimyacılar da 1985’te fullerenleri keşfederek sürece ciddi katkılar yaptılar.
“Hiç Atom Gördünüz mü?”
Atomların çıplak gözle görülemiyor olması, gördüğünden ve dokunduğundan ötesini hayal edemeyen insanlarda sorun oluşturmuştur. Çağımızda bile “atomu kim görmüş?” sorusunun sorulmaya devam ediyor olması hayli ilginç bir durum. Örneğin Fermilab’ın ünlü yöneticisi- denel fizikçi Leon Lederman’ın (Fizik Nobel 1988) bir anısı şöyle (Tanrı Parçacığı,1993):
“ Dinleyicilerin arasındaki hanım inatçıydı. “Hiçbir atomu gördünüz mü?” diye sordu. Rahatsız edici de olsa uzun süredir atomların nesnel gerçekliğiyle yaşamış bir bilim adamı için anlaşılır bir soru. Atomların içsel yapısını gözümde canlandırabilirim. Küçük nokta çekirdeğin çevresinde sisli elektron bulutunu çizmek üzere dolanan bulutsu elektron “varlığı”nın zihinsel resimlerini anımsayabilirim. Bu zihinsel resimler iki farklı bilim adamı için asla aynı değildir; çünkü her ikisi de bu imgeleri eşitliklerinden çıkarmışlardır. Böyle yazılı reçeteler bilim adamının görsel bir imgeye duyduğu insani gereksinimi yerine getirmeye sıra geldiğinde işleri pek de kolaylaştırmazlar. Yine de biz atomları ve protonları “görebiliriz”, evet, kuarkları da.
Benim bu zor soruyu yanıtlama girişimim her zaman “görmek” sözcüğünü genelleştirmeye çalışmakla başlar. Eğer gözlük takıyorsanız bu sayfayı “görüyor” musunuzdur? Ya bir mikrofilm basımına bakıyorsanız? Ya bir fotokopiye bakıyorsanız (hani şu benim telif hakkımı çaldıkları korsan basımlardan birine)? Ya metni bir bilgisayar ekranından okuyorsanız? Sonunda umutsuzca şunu sorarım: “Hiç Papa’yı gördünüz mü?”
Genellikle yanıt “Tabii ki gördüm” olur, “televizyonda gördüm.” Sahi mi? Onun gördüğü bir ekranın içine boyanmış fosfor üzerine çarpan bir elektron demetidir. Benim atom ya da kuarka ilişkin kanıtım da en az bunun kadar sağlamdır.
Nedir bu kanıt? “Bir sis ya da kabarcık odasında parçacık izleri.”
Atomun Boyutları
Atomlar öylesine küçük nesnelerdir ki onları gözle veya normal mikroskopla görmemiz olanaksızdır. İşte atomal boyutlar:
1 nanometre (nm)= 1×10-9 metre 1 pikometre (pm)= 1×10-12 metre
• atom = 1 x 10-10 metre (bir nanometrenin onda biri)
• çekirdek = 1 x 10-15 ve 1 x 10 -14 metre arası
• nötron veya proton = 1 x 10-15 metre
Elektronun boyutu hakkında doğru bilgiye sahip değiliz; ama 1 x 10-18 metre boyutlarında olacağı düşünülüyor.
Bazen sorular, insanı yaratıcı kılar; daha doğrusu insandaki keşif dürtüsünü ateşler. Örneğin Erwin Schrödinger, sağda solda parçacık ve dalgalar hakkında konferans verirken yine bir konferansta Peter Debye kalktı “Dalga deyip duruyorsun. Elinde bir dalga denklemi var mı?” diye sordu da bugün kullanılan temel dalga denklemi bulundu. Benzer şekilde hiç atomu gördün mü sorusu, sonunda fizikçileri yeni buluşlar yapmaya zorladı. 1981’de Scanning Tunnelling Microscopy (STM) yani taramalı tünelleme mikroskopu icat edildi. Bu mikroskobu Gerd Binning ve Heinrich Rohrer, Zürich’te IBM Laboratuvarları’nda geliştirdiler. Bu başarılarından dolayı da 1986 Nobel Fizik ödülünü aldılar. STM, aslında bir mikroskop değildir; ama katı bir yüzeydeki atomları bireysel olarak gösterebildiği için ona mikroskop denmektedir. Bir metalik uç, katı yüzey üzerinde gezdirilerek metal uç ile yüzey arasında “tünelleme” yapılması sağlanır. Bu süreçte metal uç, yüzeye çok yaklaştırılır; ama bunlar fiziksel anlamda birbirine değmez. Klasik fiziğin olmasını beklemediği bir şekilde boşluktan elektron “tünel kazarak” diğer maddeye geçebilir ve bu da bir akım olarak kendini gösterir. Aşağıdaki resim için bakınız (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/at/)
Taramalı Tünelleme Mikroskopunun (STM) Şeması
Bu konuda son yıllarda iki teknik geliştirilmiştir: STM ve AFM.
AFM (Atomic Force Microscopy = Atomik Kuvvet Mikroskopu) ise uç ile yüzey arasındaki van der Waals çekimine dayanır. 5 nm ile 50 nm yarıçaplı uzaysal alanlara girme olanağı tanır.
STM (Scanning Tunnelling Microscopy = Taramalı Tünelleme Mikroskopu), çekirdek çevresindeki elektron bulutunun üç boyutlu haritasını çıkaran bir elektron mikroskopudur. Tek bir atoma odaklanıp onu resmedebilen bu teknik, aynı zamanda yüzey kimyası için ve organik moleküllerin yapısını aydınlatmak için kullanılmaktadır. Örneğin DNA molekülünün yapısı bu teknikle incelenmiştir.
İki boyutlu elektron sistemlerinde gözlenen ilginç kesirli kuantumlaşmalar, temel durumlar ve özellikle yüksek sıcaklık süperiletkenliği, dikkatleri boyut/büyüklük problemine odaklamıştır. Araştırmacılar, STM ve AFM ile önce atomları gözlemlemeyi, daha sonra da onları teker teker taşıyıp istenildiği gibi dizmeyi, harfler ve şekiller çıkarmayı, tek atomdan oluşan elektrik devre anahtarı yapmayı başardılar. Böylece atomlar erişilebilen, istenildiği gibi yönlendirilip dizilebilen yapı malzemesi durumuna gelmiştir. IBM ve başka laboratuvarlarda küresel atom topaklarından oluşan ve enerji spektrumu istenildiği gibi tasarlanabilen ‘süperatomu’ yapılması başarılmıştır. Çok küçük cisimler, gerçekten büyüklerden farklı davranır.
1985’te buckminsterfulleren (“Buckyball”) denen karbonun yeni bir allotropunun keşfedilmesi, nanoteknoloji dünyasına giden yolun kapalı olmadığını açıkça gösterdi. İlk fulleren karbon-60 molekülü (C60), 1985’te Amerika Rice Üniversitesi’nde Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O’Brien ve Harold Kroto tarafından hazırlandı. Kroto, Curl ve Smalley, 1996 Nobel Kimya Ödülü’nü kazandılar.
Bir fulleren, karbon atomlarının küresel, elipsoit ya da tüp oluşturacak şekilde bağlanmasıyla oluşan bir moleküldür. Küresel fullerenin en kararlısı karbon-60 (C-60) molekülüdür. Bir futbol topunun yüzeyindeki beşgen ve altıgen halkaların düzeni gibi karbon atomları birbirine bağlanmıştır. Karbon nanotüpler, bir atom kalınlığında silindir şeklindeki yapılardır ve yoğun araştırma konularından biridir.
Bir IBM ekibi, 1989’da nikel yüzeyde 35 bağımsız ksenon atomuyla “I-B-M” yazısını yazdılar. Böylece ‘bireysel atomların resmi’, evrensel olarak yayıldı ve tanındı. Metal yüzeyler üzerindeki atomların manipulasyonu gelişti.
10-1000 kadar atomdan oluşan nano- ölçekli bir sistemde kuantum özellikleri daha belirgin hale gelmektedir. Elektronların enerji aralıklarının açılması, sürekli gibi algılanan fiziksel özellikleri etkiler ve onların kesikli olarak değişimine yol açar. Bunun sonucu, nano-yapılar normal boyutlardaki yapılara göre çeşitli yeni özellikler sergilerler. Örneğin, normal boyutlarda yarı iletken bir kristal olan silisyum, nano – ölçeklere küçüldüğünde iletken olabilmektedir. Nano yapıların sergiledikleri olağandışı özellikler yeni teknolojik uygulamalar için çok çeşitli olanaklar yaratmaktadır.
Karbon nano-tüpler, günümüzün en yoğun bilimsel araştırma alanlarından biridir. Bir atom kalınlığında grafit tabakasının silindir üzerine düzgün olarak sarılmış hali olan karbon nano-tüp, nanometre mertebesinde yarıçapına ve sarmal açısına bağlı olarak yarı iletken veya bir boyutlu kuantum iletken olabilmektedir. Ayrıca kimyasal aktivitesi ve elektronik yapısı tüpün içine ve dış cidarına değişik atom ve moleküller soğurularak değiştirilmekte, malzeme daha işlevsel hale getirilmektedir. Kuramsal çalışmalar, yarı iletken nanotüp çevresinde oluşturulan bir metal atom halkasından geçebilecek çok küçük akım seviyelerinin tüpün merkezinde 1 Tesla seviyesinde bir manyetik alan indükleyebildiğini göstermektedir. Tüp üzerine demir atomlarının belli bir düzende soğurulmasıyla elde edilecek nano-mıknatısların gelecekte çok yoğun bilgi depolama araçları olarak geliştirilmesi düşünülmektedir. Bu da atomaltı dünyada hala çok yer olduğunu göstermektedir.
Kaynakça:
Salim Çıracı, Metrenin Milyarda Birinde Bilim ve Teknoloji, Günce, Haziran 2003
Kenneth W. Ford, Kuantum Dünyası (2004), Çeviren: Neslihan Sabuncu, Güncel Yayıncılık 2005
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html (25.12.2011)
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope (25.12.2011)
Yorum Ekle