Nano teknik

O yeni bir çağın teknolojisidir. Nano teknik bizi optik aletlerle görüle bilen bir dünyaya götürür. İşte böyle!

Kavranması güç olan, yapılarının gözle görülebilir ışığın dalga uzunluğundan daha küçük olmasıdır. Önümüzde görünmezlerin dünyası uzanıyor. Nano evrene hoş geldiniz!

Çocukken eğer soğan zarını, çiçek yapraklarını veya saçınızı bir kez mikroskop altında incelediyseniz, mutlaka o eşsiz büyüleyici, okülerde pırıl, pırıl ışık kırılmasının yarattığı efektin ortasında ortaya çıkan görüntüleri hala hatırlarsınız. Bu arada ışık mikroskobu daha önce okullarda ve sonrada evlerde araştırma laboratuarı olarak bulunur. Bazı araştırma işlerinde hala kullanılmasına rağmen, birçok bilim adamı onun görüş alanını mikroskobik dünyanın ötesindeki alanlara genişletmek için uğraşıyor.

Orada, yapıları gözle görülebilen ışığın dalga boyundan daha küçük olduğundan, aslında optik aletlerle görülemeyen, hala keşfedilmemiş yabancı ve yeni bir dünya var. Biz büyüklükleri ve uzaklıkları nanometre (milimetrenin milyonda biri) olarak verdiğimizden, bu görünmezler imparatorluğunu nano evren (nanokosmos) olarak adlandırıyoruz. Kabaca bir söylemle, nanokosmos objeleri bir hücreden daha küçük ve atomdan daha büyüktür. Küçük moleküllerden (üzüm şekeri gibi), bunlar da kıyaslandığında dev gibi görünen proteinler ve nükleik asitler gibi canlı hücrelerin zincir moleküllerine kadar uzanan evrenden molekül dünyası olarak söz edilir.

Küçük şeyleri düşünmeyi öğrenmeliyiz. Çünkü nano dünyasını keşfetmemizin gerekli olduğu konusunda en az 3 önemli neden var: Küçük olanın verim oranı yüksektir. Küçük şey özgüldür (dağıtım alanının minyatür (en küçük) hale getirilmesi). Moleküller bireyseldir. Kendilerine has özellikler taşır. Küçük olan zekidir. Tek başına bulunan moleküller, örneğin aşağı yukarı bir DNA- zinciri bilgileri taşır. Bir milyar özdeş DNA-zinciri artık tek başına bir molekül olarak bilgiye sahip değil, fakat şimdiye kadar ve hala bilgileri okumak için bir milyar molekül kullanıyoruz. Eğer biz ilk olarak tek başına bir molekülü deşifre edebilirsek, sonra yüksek kapasiteli bir DNA-bilgisayarı kullanarak ufacık bir damlada milyarlarca DNA-sekanslarını işleye biliriz.

Bu tür ve buna benzer düşünceler, bilim adamlarını, bilgileri güvenilir şekilde akumüle edip işleyebilen ve mekanik, kimyasal ve elektronik fonksiyonları yürütebilen yüzey ölçeğinin en küçüğünde yeni teknolojiler geliştirmeye teşvik etti. Birçok uygulama özellikle bilgisayar çalışmaları için en uygunu olarak gösterilen, bu mümkün olduğunca küçük ölçü birimi moleküler ölçektir, nanokosmosdur.

Bu aynı zamanda hücreleri, onların bütün mekanik, kimyasal ve bilgi işlemeye ait kurallarını çözen bir ölçektir. Nano evrenin (nanokosmos) asıl görünmezliği, yaşayan hücrelerin görevlerini nasıl yerine getirdiklerini en azından kabaca ortaya çıkarmak için pratik olarak biyokimyanın 20. yüzyıl’ın tamamında bunu kullanması, nedenlerden biridir. Yapı araştırmacılarının geçen beş yüzyıllık sürede dolaylı metotların zahmetli uygulamalarıyla bizim için "görülebilir" yaptıkları hücrenin molekül donanımı, görünen dünyada mühendislerin tasarladıkları makinelerden sıklıkla tamamen başka bir şekilde işlevselliğini yerine getiren, nanometre büyüklüğündeki olağan üstü eserlerin çok yönlü ve büyüleyici bir kümesidir.

Bundan dolayı, nano evrenine hakîm olmayı deneyen araştırmacılar sıklıkla hücrelerin envanterinden fikirlere sahip olmuşlardır. Evrim, yeni işlevleri yerine getirmek için, zaman, zaman bonkörce etki içinde olmasına ve var olan yapıları çöktürmesine rağmen, " doğanın nano teknolojisini" öğrenebil diğimiz birkaç esas kural vardır. Geçen üç buçuk yılda çok başarılı olan, onlardan kaynaklanmayan hiçbir yaşam şeklini tanımadığımız bu esas kurallar basit görünürler.

"Nano teknoloji" kelimesi seksenli yıllarda zafer alayına adım attığında, tek başına atomların parçalanması yeni teknolojinin dayanak noktası olarak açıklandığı, hepsinden önce Eric Dexlers’in kesinlikle kurgul (teorik) kitaplarında buna bağlı tanımlar yapıldı. Doğa kendisi tek başına atomları hiç sevmez. Kural olarak sadece iki karbon atomunun birbirinle bağlandığı (en son şeker ve diğer karbonhidratların imali için) basit kimyasal reaksiyonlar, hücre içinde karmaşık örgü ağının içine, katılan elementlerin her birinin en az 3 karbon atomuna sahip olduğu bağlanmış reaksiyonlarla yerleştirilir.

Bu tür moleküller eldeki atomlardan daha basittir, onların kimyasal reaksiyona elverişliliği ince bir şekilde çeşitlendirilebilir ve doğanın katalizörü enzimler yüksek özgüllüğü ile tanınırlar ve diğerlerinden, benzer moleküllerden farklıdırlar. Bugün pek çok araştırmacı, nano teknolojinin gelecekteki çağı atomik (nükleer) değil moleküler (zerre) teknolojisi olacaktır.

Bir moleküler yapıda her atom kendi yerinde olmak zorundadır. Sentez kimyacıları, tek başına atomları birbirlerinin yanına koyup muameleye sokarak küçük molekülleri (üzüm şekeri gibi) birleştirebiliyorlar. Bu işlem yöntemi örneğin proteinler gibi karmaşık makro moleküllerin teşkili için kullanılamaz. Bunun yerine hücre pek çok basamakta oluşur. Hücre aminoasitler gibi moleküler yapıtaşlarını oluşturan atomları düzenler. İkinci adımda amino asitleri, üç boyutlu bir yapı halinde üst, üste katlanan uzun bir zincir molekül halinde bağlar. Bunlar ayrıca diğer protein molekülleri ile birlikte yüksek ısılı karmaşık makinelerde depolanabilir. Bizim teknolojimize uymayan bütünlüğün bir derecesini hücreyi üretebilen bu inşaat kutusu kuralına teşekkürler.

Karmaşık moleküler yapıların oluşmasında doğal yol olan ilk adımların her ikisi de geleneksel kimyayı kapsar. Karbon atomları arasındaki kovalent (eşdeğerli) bağlar poiipeptit zincirin ve amino asitlerin üretimini olanaklı kılar. Bu zincirlerin katlanmasında ve birleşmesinde doğa, ilk on yıllık devrin hemen başında kimyada bulunan metotlara başvurur. Daha az kovalent (eşdeğerli)
bağlama yerine çok sayıda karşılıklı etkileri zayıf olan proteinin üç boyutlu yapısı muhafaza edilir. Dışardan etkilemeyle elde edilen bu bağlamaların yerine, doğa kendi yasalarını taşıyan polimerleri koyar. Protein spontane (kendiliğinden) katlanır ve kendisi 50 den daha fazla makro moleküler yapı taşı bulunan ribosom gibi hücrenin karmaşık moleküler makineleri kendi başlarına spontane (kendiliğinden) birleşirler.

Yaşayan hücrelerin işlevlerini nano metrik ölçülerde nasıl sürdürdüklerini bildiğimiz için, en azından basit bir düzeyde aynılarını yapabilecek durumda olmalıyız. Fakat buna en iyi bir şekilde nasıl başlarız?

Esas olarak iki değişik işlem yoluna ayırabiliriz: Mikro dünyadan gelen var olan teknolojinin gelişen minyatür haline getirmeyi (küçültmeyi) kullanan, nano evrenin (nanokosmos) ileri iten " Tepe-aşağı "(Top-down) işlem yolu, diğeri bunun tersi olan küçük moleküllerden karmaşık moleküler yapılar inşa eden kimya ve biyokimya metotlarını kullanan " Dip-yukarı" (Bottom-up) işlem yoludur.

"Tepe-aşağı" (Top-down) işlem yolu, izafi (bağıntılı) olarak teoride basittir. Fakat pratikte nano evrende ilerledikçe daima daha zorlaşır. Bu işlem yolu için on yıldan beri süre gelen bilgisayar devrimine teşekkür borçluyuz. Çünkü entegral (tamamlanmış) dağıtım (tevzi) çemberindeki işlev elementleri küçüldükçe küçüldü, bir standart chipin verimi geçen yirmi yıllık sürede her 18 ayda iki kata yükseltile bildi. Bu fenomen (mucize) ilk önce chip üretimcisi İntel’in kurucularından birisi olan Gordon Moor tarafından tanıtıldığından, Moor yasası olarak adlandırıldı.

Şu anda chip üretimcileri görülebilen ışığın çok büyük alanını arkada bıraktıklarından, ültraviyole ışınlarını kullanmak zorunda kaldılar ve bir gün onlar, gittikçe küçülen yapıları yaratabilmek için çok daha zor olan hali hazırdaki röntgen ışınlamasının üstüne çıkmak zorunda kalacaklar. Böylece her bir yeni küçültme adımı, Bugüne kadar onaylanan ve önümüzdeki birkaç yılda da geçerliliğini koruyacak Moore Yasasına bile, öncekinden daha büyük bir meydan okuma olacak.

Bilgisayar üreticileri nanometre ölçülerindeki ürünlerin en büyük müşterileri ve durmadan ilerleyen minyatürleştirme için hiç azalmadan var olan trendin arkasında en önemli güç olmalarına rağmen, aynı üretim işlemini onlar kadar yararlı hale getirebilecek başka alanlar da var. Fabrikasyon chip metotlarına göre üretilen, küçük mekanik hareketli elementler MEMS (mikro elektro mekanik sistem) olarak adlandırılır ve bundan sonra nano evrenine MEMS olarak adlandırılarak sokulacaklar.

MEMS- sahasının klasik başarı öyküsü arabadaki hava yastığı sensorunun öyküsüdür. MEMS temelinde ivme (hızlandırma) ölçeri sadece daha küçük ve daha iyi değil, bilakis bundan daha fazlası konvansiyonel öncü ürünlerden oldukça daha ucuz olduğudur. Bu durumda o birkaç aydan daha az bir sürede dünya pazarına egemen olacaktır.

Gelecekte aynı şekilde devrimci bir etki yapması mümkün olabilecek olan, hastalara ameliyattan sonra hastaya gerekli tıbbi ilaçları sağlayan ameliyat sırasında transplantasyon yapılan bir ilaç-chip MEMS ürünlerine örnek sayılır. Duyumsallıkta (duyu organları ile algılama) da MEMS kesin bir değişiklik etkisi yapabilir. Kısa bir süre önce bilim adamları mikro fabrikasyon teknikleri aracılığı ile, aşağı yukarı şarabın koku maddesi gibi karmaşık karışımlar içindeki uçucu maddeleri şimdiye kadar ulaşılamamış bir hassasiyetle (duyarlılıkla) seçebilen " yapay burun" geliştirdiler. He iki işlem yöntemi (aşağıdan – yukarı, yukarıdan-aşağı) değişmez bir şekilde birbirleriyle rekabet içinde oldukları duyumsallıkta mümkün olduğunca ortaya çıkabilir – sonuçta tat ve koku organlarımız yüksek hassas moleküler duyumları alırlar.

Dip– yukarı işlem yöntemi genellikle daha güçlü olarak doğanın nano teknolojisini tayin eder, küçük moleküllerden hareket eder, sonra karmaşık sistemleri yaratmak için inşa kutusu prensibini, zayıf değişim etkilerini ve kendiliğinden birleşmeleri kullanır. Bu yöntemin içinde, doğadan ne kadar az veya çok kopya edileceğine karar veren değişik stratejiler vardır.