” Moleküllerin mimarları, molekül yapılarında doğayı taklit etmeye daha yeni başladılar. Taklit, dalkavukluğun en samimi şeklidir.” – Heinz R. Pagels
Bu makalede nanoteknoloji hakkında kısaca bilgi verilecek, asıl olarak grafen üzerinde durulacaktır. Yukarıda bir sözünü alıntıladığım Heinz R. Pagels (1939-1988), genç yaşta kaybetiğimiz harika bir fizikçiydi. O, kimyacıları ve moleküler biyologları, mikrodünyadaki atomların birleşme yöntemlerini çözen mimarlar ve mühendisler olarak görüyordu. Nanoteknoloji, yavaş yavaş hayatımıza giriyor. Şimdiden nanoteknoloji listesindeki ürünlerin sayısı bine yaklaşmış durumda. 1980’li yıllarda keşfedilen iki yeni mikroskopla [Taramalı Tünelleme Mikroskopu–STM=The Scanning Tunneling Microscope ve Atomik Kuvvet Mikroskopu–AFM= The Atomic Force Microscope] artık atomları ‘bireysel olarak’ tek tek taşıyıp, istenilen şekilde dizmek (atomları manipule etmek) olanaklı hale gelmiştir.
Bunu sitemizdeki Atomların Fotograflari adlı makalemizde görebilirsiniz. STM, 1981’de Gerd Binnig ve Heinricn Rohrer tarafından Zurich’teki IBM Laboratuvarlarında geliştirildi. Bu iki araştırmacı 1986’da Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar. Yine 1986’da Binnig, Quate ve Gerber, AFM ‘nu icat ettiler.
Nanoteknolojinin kavramsal olarak temellerinin atılışında tarihsel ilk formülasyon, 1950′li yılların başlarında Macaristan doğumlu Amerikan matematikçi ve bilgisayarın öncülerinden John von Neumann’dan (1903-1957) Richard Feynman’dan (1918-1988, Nobel Fizik 1965) geldi. Feynman, Caltech’te Amerikan Fizik Topluluğu’nda 29 Aralık 1959’da Dipte Çok Yer Var (“There’s Plenty of Room at the Bottom”) başlıklı bir konuşma yapmıştı. Konuşmasında “Neden bir gün 24 ciltlik Britannica Ansiklopedisini bir toplu iğne başına sığdırmayalım?”diye sormuştu. Feynman, atom ve moleküller dünyasının potansiyel bir inşaat alanı olduğuna dikkat çekmişti:
“Görebildiğim kadarıyla fizik prensipleri bir şeyleri atom atom biçimlendirmemize engel değil. Bu prensip olarak yapılması mümkün birşey. Bir fizikçi kimyacının yazdığı kimyevi maddeyi inşa edebilir. Nasıl? Atomları tarif edildiği biçimde biraraya getirerek… Bu yapıldığında kimyevi madde orta çıkacaktır…. Eğer birşeyleri atom düzeyinde yapabilir ve ne yaptığımızı da görebilir olma yeteneğine kavuşursak bu kimya ve biyoloji alanlarındaki problemlerin çözümüne çok büyük bir katkı sağlayacaktır… Sanıyorum günün birinde bu yeteneğe kavuşmamız kaçınılmazdır.”
Bu konferansta gelecekte bireysel atomların manipule edilebilme olasılığına dikkat çekmişti. Britannica Ansiklopedisini bir toplu iğne başına sığdırma düşüncesi, bilim dünyası için de çok ufuk açıcı oldu. Feynman, moleküller dünyasını özel işler yapmakla görevli minik cihazlar yapabileceğimiz potansiyel bir alan olarak görmekteydi. İnsan vücudunda molekül düzeyindeki onarımcılar, serbest bırakılarak hasar görmüş bir alana gidip orayı düzeltebilirlerdi. Gerçekten oraya doğru adımları atılmış durumda. Makalenin sonuna doğru bunlara örnekler vereceğiz.
Nanoteknoloji sözü Feynman’a ait değil. Bu sözcüğü ilk olarak 1974’te Japon bilimci Norio Taniguchi (1912-1999) kullandı. Bu terimle, atom ve molekül kalınlığındaki nesneleri anlatmak istiyordu.
Sonra atılan büyük adım, 1970’lerin sonlarında Amerikalı mühendis K. Eric Drexler tarafından atıldı. Drexler, çalışmalarını ve düşüncelerini 1986’da Yaratım Motorları: NanoteknolojininYaklaşan Devri, 
1992’de yayımlanan Nanosistemler: Moleküler Makinelerin Yapımı ve Hesabı adlı iki kitabıyla bilim dünyasına açıldı.Bu kitaplar, moleküler nanoteknoloji için bu yol gösterici oldu.
Çok küçük cisimlerin (parçacıkların) davranışı, büyüklerinkinden farklıdır. 10-1000 kadar atomdan oluşan nano- ölçekli bir sistemde kuantum davranışı daha belirgin hale gelmektedir. Elektronların enerji aralıklarının açılması, sürekli gibi algılanan fiziksel özellikleri etkileyerek onların kesikli olarak değişimine yol açmaktadır. 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.
Bir nanometre, metrenin milyarda biridir, 1 nm=10-9 metre. Bu, atom ve moleküllerin ölçeğidir. DNA gibi bazı biyolojik yapıların boyutu da bu kapsamdadır. Bir protonun boyutu ise 10-15 metredir, buna da bir Fermi (1 fm) denir.
Grafit ve Graphene (Grafen)
Karbon, doğadaki doksan elementten biridir; ama hidrojenle bilikte tüm canlıların yapısında bulunmakla zaten özel bir elementtir. Karbon, periyodik tabloda altıncı elementtir (atom numarası 6’dır) ve grafit, is, elmas, karbon nanotüp, C60 gibi değişik halleri vardır. Bunlara karbonun allotropları denir. Grafit, kurşun kalemlerimizin içindeki karbondur. Bundan başka çinko-karbon (Zn-C) pillerinde, elektrik motorlarının fırçalarında ve başka birçok alanda kullanılmaktadır. Grafit, düzlemsel yapılı tabakalardan oluşur. Düzlemde altıgen (Heksagonal) tabakalar birbirine 0.142 nm (=1.42A0) uzunluktaki kovalent bağlarla bağlanmıştır. Karbon atomları sp2 hibritleşmesiyle birbirine bağlıdır. Düzlemler arası uzaklık ise 0.335 nm dir. Grafit, elektriği çok iyi iletir. Fosil yakıt olan kömür de esas olarak karbondur. Öte yandan, elmas diye bilinen mücevher de karbondur.
Elmas formunda ise karbon atomları birbirine sp3 hibritleriyle bağlıdır. Bağ uzunluğu 0.155 nm (=1.545A0) dir.
1985’te onun yine bir harika türü olan fullerenler gözlenmişti.Bu keşiflerinden dolayı Harry Kroto, Richard Smalley ve Robert Curl, 1996 Nobel Kimya Ödülü’nü paylaşmışlardır. Fullerenler C60 , C70, C240 ve C540 molekülleri vardır. Bu moleküllerde karbon atomları bir futbol topu üzerindeki beşgen ya da altıgen halkaların köşelerini tutmaktadır.
Grafen (graphene), bir karbon atomu kalınlığında, karbon atomlarının bal beteği gibi birbirine bağlı halkalar oluşturduğu karbonun allotroplarından biridir. Karbon atomları birbirine sp2 hibritleriyle bağlıdır. Grafen 2004 yılında, Manchesterli bir gurup tarafından grafitten elde etmiştir. Bu sistemler, kompleks sistemlerdir ve davranışları, kendilerini oluşturan atomların bireysel davranışlarından farklıdır.
Bir Atom Kalınlığında: Grafen
Grafen adı, 1962’de, bir karbon yaprağı tanımlaması yapan Hans Peter Boehm’in grafite –en eki eklemesiyle türettiği bir addır. Fakat grafen, ancak 2004’te Manchester Üniversitesi’nde keşfedilebilmiştir. Grafit, tabakalı yapıdadır ve grafen, işte bu tabakalardan yalnızca birisini anlatan ifadedir. Columbia Üniversitesi’nden mekanik mühendislik profesörü James Hone’un grafen, çelik yapısından 200 kere daha güçlü bir material olduğunu dile getiriyor: “Bizim araştırmalarımız grafenin çelik yapısından bile 200 kat daha güçlü olduğunu gösteriyor. Bir grafen düzlemini delip geçmek için bir kurşun kalem ucunda bir fil ancak delip geçebilir.” Gerçekten grafen bir çok beklenmeyen özellikleri olan kıymetli bir materyaldir. “Grafenin tek bir uygulaması yok” diyor Profesör Andre Geim , “ o bir materyal değil, büyük bir materyaller dizisidir. Onu plastikleri nerelerde kullandığımızda karşılaştırabiliriz.” Grafenin potansiyelleri çok fazla. Karbon iplikler, en başta elektronikte yeni olanaklar sunacaktır.
Hızlı ve ucuz, ince ve esnek araçlar yapılabilecektir.
Plastiklerin kullanımıyla karşılaştırılabilir. Transistörlerin hızında gerçek bir sınır olmayacak belki.
Grafen, bir atom inceliğinde; ama çelikten 200 kat daha dayanıklı, elektronlarının hareketliliği bilinen öteki iletkenlere göre daha yüksek. Elektronların hızının saniyede 800 kilometreye çıktığı ve elektronların kütlesizleştiği bir durum söz konusu.
Ayrıca ucuz ve potansiyel uygulamaları çok geniş görünmektedir. Görünen o ki her yıl katlanarak artan grafen makale sayısına (2010 yılında 3,000 makale yayımlanmış) göre grafen geleceğimizi hatta çok yakın geleceğimizi şekillendirecek bir potansiyele sahip. 200 kadar firma (Samsung, IBM, Nokia…) grafen üzerinde araştırma yapıyor. Bu, günümüz teknolojisinin mimarı silikonu tahtından edebilecek bir potansiyel! Grafen fotodedektörler, grafen güneş hücreleri, grafen transistörler, grafen mikroçipler, grafen yarıiletken diyotlar (led: light-emitting diode), grafen oledler (organik ışık yayan diotlar), grafen ultrakapasitörler, grafen biyoaygıtlar, grafen antibakteriyeller gibi… Sayısız uygulama alanı ile grafen hayatımızın oldukça içinde yer edinecek. Daha esnek, daha dayanıklı, daha küçük, daha konforlu bir teknoloji ve elbette daha ucuz!
“İki boyutlu grafen maddesine ilişkin çığır açan deneyleri için” 2010 yılının Nobel fizik ödülü, Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a verilmiştir. Bu iki bilim adamının her ikisi de Rusya doğumlu ve kariyerlerine doğdukları ülkede başlamışlardır.
Geim, Hollanda vatandaşı; Novoselov, İngiltere ve Rusya vatandaşıdır. Grafen, saydam ve çok iyi iletken bir maddedir. Elektronikte devrim getirecek bir madde olarak görülmektedir. Bu material ile saydam dokunmatik ve hafif panel ekranlar, hatta güneş hücreleri bile üretilebileceği düşünülmektedir. Grafende karbon-karbon bağının uzunluğu, 0.142 nm’dir. Heksagonun kalınlığı ise 2.5A0.
Grafenin kullanım alanları
Kumaşlar ve piller: Grafen yapraklarının bir türünü, Teksas Üniversitesi’nden Prof. Dr. Rodney Ruoff’un araştırma ekibi geliştirdi. Grafen oksit oluşturmak için ortama oksijen atomları eklendi. Ortaya çıkan madde çok güçlü, esnek ve sertti. Bunlar akıllı giysiler için kumaş olarak kullanılıyor. Profesör Ruoff, grafenin havacılık ve uzay sanayi ile nakliyatta da etkili olacağını düşünüyor. Araştırma ekibi, zaten piller gibi büyük miktarda elektrik şarjını depolayan süper kondansatör yapmışlardı.
Hesaplama: Transistörler, bugünün silikon devrelerinin standart anahtarlarıdır. Yeni elektronik malzemelerin üretilmesi ve farklı malzemelerin oluşturulması gibi birçok pratik uygulamanın hayata geçirilmesi artık mümkün. Grafen tabanlı transistörlerin günümüzün silikon transistörlerinden çok daha verimli olduğu, bunun da daha hızlı bilgisayarların önünü açacağı tahmin ediliyor.
Cihazlar: Dokunmatik ekran televizyonlar ve bilgisayarlar, sizin dokunuşlarınıza yanıt veren elektriksel algılama yöntemini kullanıyor. Bu da tüm ekranın elektriği ileten şeffaf bir maddeyle kaplanmasını gerektiriyor. Bu madde ITO (Indium tin –kalay- oksit ) olarak bilinen, elektriksel iletken ve optik geçirgen bir ince film kaplama çeşididir. Telefonunuzu düşürürseniz ekranın sert ama kolayca kırılabildiğini görürsünüz. Grafen ise daha dayanıklı olmalı. Rice Üniversitesi’nde görevli araştırmacılar, ultra ince, görünmez metal kablolarla bağlanan bir grafen film oluşturmayı başardılar. Bunun yakın zamanda ITO’nun yerini alması bekleniyor.
Tüm ülkelerde giderek daha çok kaynağın aktarılması nanoteknolojinin 21. yüzyıla damgasını vuracağını göstermektedir. Ancak burada önemli bir fark bulunmaktadır. Nanoteknolojinin getireceği buluşlar bilim tarihinde şimdiye kadar yapılan buluşlardan çok daha kapsamlı ve güçlü olacaktır. Kendi kendini temizleyen boyalar, kirlenmeyen kumaşlar, esnek ama daha dayanıklı betonlar, elmas kadar sert kaplamalar, kanserli hücreleri vücuda zarar vermeden öldüren ajanlar, günlerce etkisini kaybetmeyen kremler, tek bir şarbon mikrobunu bile algılayabilen sensörler ve mikrop barındırmayan buzdolapları gibi yüzlerce nanoteknolojik ürün hayatımıza girecektir. Nobel ödüllü Horst Stormer bu alanı, “nanoteknoloji bize gereken tüm aletleri verdi. Doğanın en gelişmiş oyuncak kutusu sayesinde atom ve moleküllerle oynayabileceğiz. Yapabileceğimiz şeyler sınırsız görünüyor” şeklinde ifade etmiştir.
Fulleren adı verilen nanoparçacıklar, inme, travmatik beyin yaralanması veya spinal kord yaralanmasını takiben oluşan serbest radikal kaynaklı doku hasarını ortadan kaldıracaktır. Bu ise nörolojik ve motor kayıpları en aza indirerek iyileşme sürecini kısaltacaktır.
Nanoteknoloji alanında önümüzdeki yıllarda beklenen gelişmelerin büyük kısmının tıpta gerçekleşeceği sanılıyor. Bu teknoloji neredeyse 17 yıldır bilinmesine rağmen nanotıp uygulamaları yeni yeni ivme kazanmaya başlamıştır. Nanoteknolojinin tıptaki kullanım alanları çok geniş olmakla birlikte, nanoboyutlu kontrollü salınım sistemleri, doku mühendisliği, nanogörüntüleme, nanomikrobiyoloji ve nanotüpler büyük gelecek vaat etmektedirler. Nanoteknoloji yatırımına ABD’nin yanısıra, AB üyesi ülkeler, Japonya, İsrail, Çin önemli yatırımlar yapmaktadır. Büyük fizikçimiz Feza Gürsey’in (https://www.atomevren.com/bilgin-fizikci-feza-gursey-1921-1992) uyarısını bir kez daha dikkatinize sunmak istiyorum:
“Temel bilim faaliyetleri ile ilgili olarak şu anda elimizde tuttuğumuz büyük imkâna dikkatinizi çekmek isterim. Temel bilim, uygulamalı bilimin ve teknolojinin aksine herkese açıktır. Temel bilimde sır yoktur. Tersine, bu konuda çalışan bilim adamları arasında, milletleri, siyasi inançları ne olursa olsun tam bir dayanışma vardır. Gençlerimiz bu dayanışmadan faydalanarak milleti yarınki teknolojiye hazırlayabilirler. Yüksek enerji fiziğinde meselâ Hindistan’da yapılan bir keşif, telgraf, mektup, hatta uçağına atlayan haberci fizikçiler vasıtası ile ertesi günü Japonya, Rusya, Avrupa veya Amerika’ya ulaştırılır. Yardım isteyen her grup dört bir taraftan yardım görür. Uluslararası kongrelerde seminerlerde genç ilim adamları tanışır, dostane bir rekabet havası içinde birbirleri ile fikir ve netice teati ederler. Yarın yüksek enerji fiziği de nükleer bombalar ve uzay araçları gibi uygulamalı safhaya girince etrafına gizlilik perdeleri inecek ve bu konuyu işleyenlere her türlü yardım kesilecektir. O zaman istesek de yarışa giremeyiz. Yeni teknolojiyi memleketimize küçük mikyasta bile sokmağa kalksak malzeme, âlet ve montaj masraflarımızdan başka, plânlama, işletme ve geliştirme için lüzumlu bilgiyi, belimizi bükecek meblağlar ödemek pahasına satın almak mecburiyetinde kalırız. Halbuki temel konuları bugünden öğrenirsek, yarın kapalı duvarlar içinde bile kendi uygulamalarımızı kendimiz yürütebiliriz. Son olarak bir noktayı daha belirtmek istiyorum. Toplumun teşvik edeceği birkaç temel bilim adamının başarısı, onların şahsi başarısı değil, bu tecessüsü ve uzak görüşlülüğü duyan toplumun başarısı sayılmalıdır. Aya iki üç astronot indiği zaman başarı, bu işe emek, para ve irade yatıran milletlerin olacaktır. Onun içindir ki toplum musikiyi, resmi, şiiri lüzumsuz bulduğu anda, o toplumda her fert dâhi bile olsa, sanatkâr yetişmez. Sade kısa vadeli düşünen, dar anlamda ütiliter felsefeye sarılan bir toplumda partikül fizikçisine yer yoktur. Fakat öyle toplumların da yarının ileri teknolojik dünyasında, bilim ve fikir tarihlerinde yeri olmayacaktır.”
Kaynakça
1. Heinz R. Pagels, Kozmik Kod (1982), Çeviren: Nezihe Bahar, Sarmal Yayınevi 1993
2. Dr.Haydar Gök, Türkiye Fiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Dergisi, Ekim 2007(http://www.ftrdergisi.com/tr/makale/1499/150/Tam-Metin)
3. Salim Çıracı, Metrenin Milyarda Birinde Bilim ve Teknoloji, Günce 26. sayı, Haziran 2003
4. TÜBİTAK- Bilim ve Teknik Dergisi-Yeni Ufuklar-Ağustos 2005
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene (6 Nisan 2012)
Hazırlayan Ramazan Karakale
Yorum Ekle