Dünya’nın En Küçük Yarış Müsabakası: Nano Arabaların Yarışı
Geçtiğimiz hafta nanokimya dünyasının parlayan yıldızları, Fransa’nın güneyinde moleküler büyük ödülü için hazırlıklar yaptı.
6 takım Toulouse’deki Materyal Detaylandırma ve Yapısal Araştırmalar Merkezi (CEMES)’nde elektron mikroskopları kullanarak “nano-araba”larını yarıştırdı. Kasklar ve yıldırım hızları yerine laboratuvar önlükleri ve bir insan saçının binde biri boyutundaki son derece küçük bir parkura neredeyse 38 saate varan bir odaklanma bekleniliyordu.
Organizatör Christian Joachim, moleküler makineler ve nanoteknolojiye olan toplum ilgisini uyandırmanın bir yolu olarak dünyadaki ilk nano-araba yarışı fikriyle 2012’de gündeme geldi. Bir taramalı tünelleme mikroskobu (STM) atomik bir seviyede görüntüler meydana getirebilir. Çoğu STM modelleri yalnızca 1 tarama ipucuna sahip iken CEMES, 4 takımın araçlarını tek seferde yarıştırmasına izin verecek şekilde, dörtlü özgün bir modele sahiptir. Normalde 2 takım finalden elendi, ancak onlar da kendi tek-uçlu taramalı tünelleme mikroskoplarını kullanarak yarışa uzaktan katıldılar.
“Hepsi finaldeler çünkü doğrusu hepsi 2 yıl boyunca çok çalıştılar ki hiçbirini elemenin mümkün olmadığını düşündüm,” dedi Joachim.
Yarış 28 Ocak’ta Paris saatine göre 10:45’te başlayarak internet üzerinden yayınlandı.
Nano-arabalar yaklaşık 100 atomdan oluşan tek bir molekülden oluşuyorlar. Yarış 100 nanometre uzunluğundaki vakum ortamın içinde gerçekleştirildi ve sıcaklık mutlak sıfır noktasının 2 derece üzerinde tutuldu.
Taramalı tünelleme mikroskopları (STM); oldukça parlak altından bir yüzey (çünkü metal reaktif değil ) ve ucu tek bir atom olacak şekilde inanılmaz derecede ince bir tungsten uçtan oluşmuştur. Arabalar altından yüzeyin üzerinde yer alıyor ve uçtan salınan elektronlar tarafından gözlenip yönlendiriliyorlar. Katılımcılar her saat ilerlemelerinin bir animasyonunu oluşturup online olarak paylaştı.
“Nano-arabalarımız binafitil olarak adlandırılan, bir kelebeğin kanatları gibi hareket edebilen iki kanatçığa sahip,” diyor Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden ve yarışmanın Japonya takımından Waka Nakanishi. Taramalı tünelleme mikroskobundan salınan elektronlar, arabayı altın yüzey boyunca ilerleterek kelebek kanatlarının merkezi yapının etrafında titreşmesine neden oluyor.
Nakanishi, kelebek şekli molekülün hareketini oldukça esnek hale getirdiğini, bunun onlar için iyi ya da kötü yönde çalışabileceği söyledi. Onun takımı, molekülleri henüz altın üzerinde test edilmediği, yalnızca hava ve su arasındaki arayüzde test edildiği için, yarış öncesinde pek de emin değillerdi.
Bu belirsizlik de eğlencenin bir parçasıdır, hiç kimse moleküllerinin nasıl davranacağı konusunda çok fazla emin görünemez.
“Öncelikle 4 farklı molekülü aynı zemin üzerine getirip onları 4 tünelleme mikroskobu ucuyla paralel olarak hareket ettirmek müthiş bir zorluktur,” diyor İsviçre Nano Yarış Arabası(Swiss Nano Dragster) ünvanına sahip olan bir moleküle pilotluk eden Basel Üniversitesi takımından Rémy Pawlak. Yarışın en küçük molekülü, tekli C-C bağlarıyla bağlı 3 piridin birimi ve 1 ön 4–metil-fenil biriminden oluşuyor.
“Tasarımın basit ve dayanıklı olması bekleniyor,” diyor Pawlak ve molekülün boyutunu sınırlamanın sürtünmeyi minimumda tutacağını ve ona “zeminle iyi-tanımlanmış bir etkileşim” vereceğini umduklarını söylüyor.
Moleküllerin zemine tutunması için; moleküller birikmiş – gaz halinden katı hale sıvı hale geçmeden direkt geçmiş- ya da süblimleşmiş olmalıdır. Farklı moleküller farklı süblimleşme sıcaklığına sahiptir ki bu da durumu oldukça karmaşık hale getirir. Tek bir seferde tek bir molekülün biriktirilmesi (gaz haleden katı hale geçirilmesi) her şeyi daha da zorlaştırmaktadır. Dikkat isteme kelimesi bu prosesi açıklamaya yetmiyor.
Toulouse-Paul Sabatier Üniversitesi’nde kimyager olan ve Fransa takımının lideri Gwénaël Rapenne, ofisinden yaptığı bir Skype röportajı sırasında, içerisinde oldukça az miktarda yeşil bir madde olan küçük bir cam şişe gösterdi.
“Bu içindeki bizim nano-arabamız, Yeşil Araba (The Green Buggy),” dedi. “Bu belki de 5 miligram ve bu 5 miligram, milyonlarca ve milyonlarca moleküle karşılık geliyor.”
Fransız takım moleküler makinelerini bir araba üzerinde modellediler, fakat fonksiyonu yarış bittikten sonra görülecekti. Tasarımları, ortada “kargo bölgesi” oluşturacak şekilde sert bir omurga etrafında 4 tekerleğe sahip. Takım zamanla bu Yeşil Araba’nın tümüyle karbondan oluşan ve bir futbol topu şekline sahip fulleren molekülü gibi ayrı bir molekülü taşıyabilmesini umuyorlar.
“Zamanla Glikoz gibi bir şeyi ya da başka molekülleri başka bir yere taşıyabilmesini hayal ediyoruz” dedi Repenne.
Tasarımlarını yarış planlanmadan daha önce oluşturduklarından dolayı Rapenne “Bu molekülü “en hızlısı olması” için tasarlamadık,” şeklinde ekledi.
Moleküller bir kere pistte yerlerini aldılar mı, taramalı tünelleme mikroskobu ucundan gelecek voltaj pulslarıyla (darbeleriyle) kazara moleküllerin zarar görebilmesi ya da altın yüzeyin kusurlarından ya da kontaminasyonundan dolayı yüzeyde takılmaları dahil olmak üzere ters gidebilecek bir çok durum vardır.
Katılan araştırmacılar için yarışın en heyecan verici yanlarından biri de moleküllerin bu koşullar altında diğerlerinin aksine nasıl hareket edeceğini görmektir.
“Bir kimyagerin sanatı moleküller dizayn etmektir,” dedi Joachim.
Joachim öncelikle, moleküler makineleri bir yüzey boyunca hareket ettirmek için tekerlekli türde yapıların gerekli olup olmadığını gerçekten bilmediklerini belirtti. Önsezisi gerekmediğini söylüyor.
Alman takımı da tekerleklerin gerekmediğini iddia etti ve onun yerine rüzgar gülünün yaprakları gibi görünen bir molekül tercih ettiler.
Alman takımına liderlik eden, Dresden Teknoloji Üniversitesi’nden kıdemli araştırmacı Francesca Moresco “Aslında bizler, oldukça zayıf olan hidrojen bağlarıyla bir arada tutulan 4 moleküle sahibiz,” dedi.
“Biz elektronları tünelleme mikroskobunun ucundan moleküle ulaşmak için kullanırız ve bu elektronlar molekülü elektronik olarak harekete geçirir, bir bakıma molekül bir kez daha –tabiri caizse- rahatladığı zaman bu enerjisini hareket etmek içi kullanır,” demiştir Moreseco. “Tabii ki daha karmaşık, ancak ana fikir bu şekilde.”
Diğer takımlar taramalı tünelleme mikroskobunun ucu ve zemin arasında yarattığı bir elektriksel alanı kullanıyorlar.
Avusturyalı-Amerikalı molekül (The Austrian-American molecule); karbon, hidrojen, oksijen ve azottan meydana geliyor. Graz Üniversitesi’nden kılavuz Grant Simpson, Fransa takımının Yeşil Araba’sı ve Ohio Üniversitesi takımının molekülü gibi Avusturyalı-Amerikalı molekülün de aşağı yukarı araba gibi göründüğünü söyledi. “Dipolar Yarış Arabası (Dipolar Racer) olarak” adlandırılan molekül, negatif yük konsantrasyonundan ayrı pozitif yük konsantrasyonu da içeriyor.
“Molekülümüzün küçük kutup çifti, yanal hareket sağlamak adına mikroskop ucunun elektrik alanı ile bir etkileşime girebiliyor,”demiştir Simpson.
“Yeşil Araba”nın ardındaki Fransa takımının lideri Rapenne, o ve meslektaşlarının aynı zamanda; yüzeyde biriktirilmiş hareketsiz bir stator (duraç) ve onun üzerinde bir döner milden (pervane) oluşan, STM’den gelen elektronların nereye yönleneceğine bağlı saat yönünde yada saat yönünün tersine döndürülebilecek nano ölçekli bir motor üzerinde çalıştıklarını söyledi.
2016 Nobel Ödülü, 1980’ler ve 90’larda moleküler makinelerle ilgili gelişmelere öncülük eden üç kimyagere verildi. Onlar, nano makinelerin bir gün kanser teşhisi gibi ya da daha etkili aletler için dayanak teşkil etmek gibi çeşitli birçok amaçlarla kullanılabileceğini ileri sürmüşlerdir. Rapenne takımının bu işlevlerden herhangi biriyle ilgili spesifik bir amacının olmamasına karşılık, eğer başarılı olurlarsa nano-teknolojilerinin hücrelerde ya da diğer biyolojik ortamlarda kullanılabilmesinin akla yatkın olduğunu söylüyor.
Fakat o şimdi “Biz yalnızca bazı temel soruları yanıtlamak istiyoruz.” demiştir.
Nano-araba yarışının sonuç tablosu aşağıdadır. Takımların adı, ülke, yarış sonucu, yarışı bitirebilme durumu, katedilen mesafe ve ortalama hızları tabloda görülmektedir.
Kaynak : seeker.com
