Okunma: 2890 kez

Günümüzde, biyoloji ve malzeme bilimlerinde heyecan verici gelişmeler yaşanıyor. Birbirinden ayrı gibi gözükse de, bu alanlardaki araştırmaların ivmelenmesindeki ortak neden, maddenin yapı taşlarıyla, yani atom ve moleküllerle etkileşme olanaklarının son yıllarda önemli ölçüde artmış olması.

Vücudumuzdaki biyokimyasal tepkimelerde başrolü üstlenen protein molekülleri, kalıtım şifrelerimizi oluşturan DNA molekülleri... Tüm bunları, yani varlıklarından, rollerinden çok uzun süredir haberdar olduğumuz bu küçücük yapıların sırlarını daha yeni yeni öğreniyoruz. Gezegenimizdeki canlı yaşamının dayanağı olan bu yapılar, nasıl oluyor da her canlıda, her hücrede kusursuzca çalışıyorlar; her gün, her saat ve her an... Bu moleküllerle ilgili cevaplanamamış sayısız soru var. Bu yönde atılan her adım, tıp ve biyolojide önemli gelişmelere yol açacak gibi gözüküyor. Söz konusu ilerlemeler, insanoğlunun yaşam kalitesini artıracak, gezegenimizi paylaştığımız öteki canlılara da sahip çıkmamızı kolaylaştıracak... Sırlarını çözebilmek için, bu molekülleri şekil olarak görmek yetmiyor. Yapılarındaki kimyasal bağların kopup yenilerinin oluştuğunu görmek, deyim yerindeyse bu küçücük makinelerin işleyişlerini de izlemek gerekiyor.

''Malzeme bilimi'' ne demek?

İnsanlığı derinden etkileyecek gelişmelerin yaşanacağı alanlardan birinin malzeme bilimi ve teknolojisi olduğunu söyleyebiliriz. Yaşantımızı kolaylaştırmak için durmaksızın yeni aletler, makineler geliştiriliyor. Yemek yerken kullandığımız çatal bıçak, bir odaya girerken açtığımız kapı, ulaşım araçları, bilgiyi işlemede kullandığımız bilgisayarlar... Hepsi de günlük hayatımızda kullandığımız, basit veya karmaşık, sayısız aletten sadece birkaçı. Gözden kolayca kaçsa da, bu araç ve gereçleri yapmak için kullandığımız malzemeler, onlardan alacağımız verimi doğrudan etkiliyor.

Malzemeler o denli önemli ki, insanlık tarihini çağlara ayırırken, o dönemde kullanılan malzemelerin adını vermişiz; Tunç Çağı, Demir Çağı gibi... Yakın tarihimiz, malzemelerin önemini gösteren örneklerle dolu. Çeliğin bulunması makineleşmeyi ve sanayi devriminin doğuşuna neden oldu; alüminyum hafif ve kolay işlenebilir özelliğiyle havacılık ve uzay çağının önünü açtı. Plastik, günümüzde hemen her yerde kullanılıyor.

Bilim alanındaki ilerlemeler, gelişen teknolojiler sayesinde artık doğanın sundukları ile yetinmiyoruz. İstenilen özelliklere sahip malzemeleri atom atom işleyerek üretebilmenin yolları aranmaya başladı. Doğada bulabileceklerimizden çok daha hafif ve dayanıklı; elektrik ve ısı aktarımını kolaylaştıran, sürtünmeyi neredeyse ortadan kaldıran malzemeler günlük hayata girdi bile. Bu noktada karşılaştığımız en önemli engellerden birisi, üretilen yeni malzemeleri moleküler boyutta gözleyip, farklı moleküllerin kimyasal bileşimlerini ayırt edip konumlarını saptayabilmekte odaklanıyor. Çünkü, ancak bu yolla malzemelerin atomik boyuttaki ayrıntıları ile büyük ölçekteki özellikleri arasındaki ilişkiler anlaşılabiliyor.
Atomik kuvvet mikroskobunun marifetleri

1980'lerde geliştirilen atomik kuvvet mikroskobu, maddenin yapı taşlarını görmemize yarayan en önemli teknolojilerin başında geliyordu. Göreli olarak kolay kullanımı, üzerinde çalışılan örneklere zarar vermemesi gibi üstünlükleriyle araştırıcıların beğenisini kazanmıştı. Özellikle de, biyolojik molekülleri doğal ortamlarına yakın çözeltilerde görüntüleyebilmesi, zamanla tercih edilen yöntem olmasını sağladı. Alete mikroskop da dense, yaptığını görme de dense, çalışmasında ışığın doğrudan bir rolü yok.

Aletin çalışma ilkesi, gerçekte dokunmaya dayanıyor. Örneklersek, karanlık bir odada yemek masasında oturduğunuzu düşünün. Masanın üstünde neler durduğunu bilmek istiyorsunuz. Yapacağınız ilk şey, ellerinizi masanın üstünde gezdirip, dokunduğunuz cisimlerin şeklini anlamaya çalışmaktır. Bu yolla çatal, bardak veya bir kürdanlığı kolayca bulabilirsiniz. Ancak, toplu iğne başından daha küçük cisimleri bulmanız hiç de kolay olmaz. Küçük cisimleri, hele hele atomları, bu yöntemle görebilmek için parmaklardan çok daha sivri ve dokunma duyusu çok daha gelişkin bir araca gerek vardır. İşte atomik kuvvet mikroskobunun rolünü böyle tanımlayabiliriz. Neredeyse bir atoma kadar sivriltilmiş ucu ile bir yüzeydeki atomlara dokunulduğunda oluşan kuvvetlere dayanarak yüzeyin şeklini bulmak, yalnızca atomik kuvvet mikroskobu ile sağlanabilir.

Kilogramın trilyonda biri kuvvet uygulanırsa!

Kuvvetlerin hassas şekilde ölçülmesi, plastik bir cetveli ya da bir dalış tahtasını andıran, ucuna bastırınca bükülebilen ve gözle zor görülecek küçüklükte bir yapıya dayanıyor. Bu küçücük cetvelin bir ucuna kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet uygulandığında, ölçülebilir derecede bir bükülme oluşuyor. Bükülme, kuvvetle doğru orantılı olduğundan, bükülme ölçülerek dolaylı yoldan kuvvet ölçülüyor.

Atomları görebilmek için kullanılan sert sivri uç, cetvelin bir ucunda, ama cetvele dik duran, iğnemsi bir yapı olarak düşünülebilir. Küçük iğneyi çıplak gözle görmek mümkün değildir. Sivri uç, bilgisayar işlemcilerini yapmakta kullanılan yöntemle ve birkaç atom genişliğine kadar sivriltilmiştir. Bu küçük cetvel ve ucunda ona dik olarak duran iğne bir yüzeye yaklaştırıldığında, iğne yüzeye temas eder etmez cetvel bükülmeye başlar. Cetvel bir yüzey üzerinde gezdirilirken oluşan bükülme, yüzeydeki atom ve moleküllerin oluşturduğu tepe ve çukurları algılar. Bir bilgisayar yardımı ile cetveldeki ölçülebilir bükülmeler kaydedildiği zaman, yüzeyin şekli de bulunmuş olur. Atomik kuvvet mikroskobunun çalışması, basitçe bu mantığa dayanmaktadır.

Hangi yöntemi geliştirdim?

Benim araştırmalarım, atomik kuvvet mikroskobuna ''yeni beceriler kazandırmak'' olarak nitelenebilir. Mikroskop, yüzeyin görüntüsünü almak için tek tek atom ve moleküllere dokunurken, bir yandan da yüzeyi oluşturan cismin kimyasal bileşimlerinin bulunabileceği düşüncesinden yola çıktım. Bir kumaşa dokunduğumuzda ipek mi yoksa yün mü anlıyorsak ya da plastik bir çatalı metal çataldan ayırt edebiliyorsak, atomik kuvvet mikroskobu da, atomlara ve moleküllere dokunurken onları tanıyabilirdi. Böyle bir gelişme, daha önce söz ettiğim, biyolojik moleküllerin kimyasal yapılarını ve işlevlerini gözleyebilmemize olanak tanıyacak, yeni geliştirilen malzemelerin atomik ölçekteki bileşenlerini ayırt edebilmemize ve daha iyilerini tasarlayabilmemize yardımcı olacaktı.

Geliştirmiş olduğum tekniğin temeli, atomik kuvvet mikroskobunun en yaygın işletilme yöntemi olan ve kuvvet ölçmeye yarayan küçük cetvelin titreşmesi temeline dayanıyor. Bu kabul görmüş yöntem, daha önce basitçe tasvir ettiğim yönteme oranla çok daha hassastır ve yüzeye, neredeyse hiç zarar vermez. Yöntemde, cetvel saniyede yüz binlerce kez salınır. Tıpkı dikiş makinesinin kumaşa girip çıkan iğnesi gibi, her salınışında yüzeye bir kez hafifçe çarpar. Salınım, adeta bir gitar telinin çınlamasına benzer.

Bu teknik üzerine yaptığım çalışmaların başında, küçük cetvelin hareketini matematiksel yöntemler ile inceleyerek, yüzeydeki yapıların mekanik (dolaylı olarak da kimyasal) özelliklerinin cetvelin üstünde beklenenin aksine, çok yüksek frekanslarda titreşimler oluşturduğunu buldum. Ancak titreşimler o kadar cılızdı ki, pratik olarak ölçülmeleri mümkün değildi. Bir süre sonra, cetvelin üstünde yapılacak küçük bir değişiklikle, bu titreşimlerin 1.000 kat etkili hale gelebileceğini bulunca, Stanford Üniversitesi'nin olanaklarından yararlanarak, yeni tasarıma dayanan küçük cetvelleri ürettim. Yaptığım deneyler, bu yüksek frekanslı titreşimlerin gerçekten de yüzeydeki moleküllerin kimyasal yapısına ilişkin bilgiler taşıdığını gösterdi.

Yöntem aslında çok basit!

Bu yeni tekniğin çalışma ilkesi, sivri ucun yüzeye vurup geri çekilmeye başlaması sırasında geçen süreninin ölçülmesine dayanıyor. Yumuşak bir maddeye çarpan uç, yüzeyi daha fazla çökertip belli bir zaman kaybediyor. Bu zaman farklılıkları, saniyenin milyarda biri düzeyinde ve cetvelin üstündeki yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla ölçülebiliyor.

Mekanik yöntemler kullanarak maddelerin kimyasal özelliklerinin ölçülmesi oldukça basit bir temele dayanıyor. Doğadaki en sert malzeme olan elmas, yumuşak bir malzeme olan lastikten yaklaşık bir milyon kat daha sert. Bu kadar büyük bir fark, elmasın ve lastiğin yapısını oluşturan kimyasal bağlardan kaynaklanıyor. Maddelerin bu özelliği, onlarla etkileşebilmemiz ve inceleyebilmemiz için bize büyük potansiyel sağlıyordu; ama, atomik boyuttaki ölçümler bu güne kadar yapılamıyordu. Geliştirdiğim yöntem, bu potansiyelin ortaya çıkarılabileceğini gösterdi. Ancak kat edilmesi gereken daha çok uzun yol var...

Özgür ŞAHİN
Stanford Üniversitesi/California

Etiketler:  

Bilimler
Fizik
Atomik kuvvet mikroskobu

Sadece kayıtlı kullanıcılar yorum yazabilirler.
Lütfen hesabınıza giriş yapınız veya kayıt olunuz.

---