NANOTEKNOLOJİ

Nükleer savaş ve doğal çevremizin yıkıma uğraması, 21. yüzyılda küresel istikrarı tehdit eden en büyük tehlikeler olmayabilir. Bu riskler, ortalığı kasıp kavuran molekül boyundaki makinelerin yanında önemsiz kalabilir. Bu minyatür montajcılar, bir maddenin atomunu diğerine dönüştürerek üreyecek. İşler kontrolden çıkarsa, gezegenimizdeki her hayvan, bitki ve insan, makine hammaddesi olarak, iki gün içinde tüketilecek. Yorumcular buna “gri bulamaç” senaryosu diyorlar. Henüz, insanların Mars’ta yaşaması kadar uzak bir hayal olsa da, bu senaryo çevrebilimcilerin kazan kaldırmasına yol açtı. 2003 Nisan’ında, ünlü İngiliz çevrebilimci Prens Charles, saygın Kraliyet Derneği’nden, tehlikelerin değerlendirilmesini istedi.
Yeniden düzenleyiciler bilimsel kehanetlerden korkunç gerçekliğe terfi ederse, hızla evrim geçiren
nanoteknoloji alanı suçlanacak. Kraliyet Derneği’nin gelişmelerin artısını eksisini kapsayan raporu, 2004
yazından önce yayımlanmayacak. Bu arada, nanoteknoloji alanı hızla ilerliyor. ABD, Avrupa ve Japonya’daki
450 şirket ve 270 üniversitenin çeşitli bölümleri, yılda toplam l,5 milyar dolar harcayarak araştırmalar
yürütüyor. İyi bir nedeni var kuşkusuz. ABD’nin paragöz girişimcileri, 2012’de, nanoteknoloji pazarının l
trilyon doları bulacağını tahmin ediyor. Nanoteknoloji gerçekten de çok çabuk gelişiyor.
Peki, nanoteknoloji nedir ve günümüz araştırmaları “gri bulamaca” uzaktan yakından dokunuyor mu? Nano
sözcüğü, Yunanca’da cüce anlamındaki “nanos”tan geliyor ve çok küçük maddelerin teknolojisi demek. Ne
kadar küçük olduğunu canlandırmak da çok zor. l nanometre, milimetrenin milyarda biri; yani hidrojen
atomunun çapının 10 katı. Stanford Üniversitesi araştırmacısı Thomas Kenny, “Tırnaklarınız saniyede ne
kadar uzar?” diye örnekliyor. Daha kesin betimlemek herhalde imkânsız.
Tanımlama güçlüklerinden biri de, nanoteknolojinin popüler kültürün ticaret metası haline gelmesi. Çok para
getirdiği için, uzman olan olmayan pek çok kişinin açıklamaları kafaları karıştırıyor. Terim karmaşası,
biyokimya, biyoloji ve genetik bilimlerinin nanoteknolojiyle karıştırılmasına yol açıyor. Nanoteknoloji, bilimsel disiplin halini almadan önce de, bilgisayar teknolojisinin devamlı küçülen ciplerinde kendini göstermişti. Biraz bulanık olsa da, nanoteknolojiyi en iyi tanımlayan kurum ABD Ulusal Bilim Vakfı: “Yaklaşık 1-100 nanometre uzunluk ölçeğinde yapılan araştırmalar ve kaydedilen teknolojik gelişmeler. Bazı özel durumlarda, kritik uzunluk ölçeği, l nm’nin altında ya da 100 nm’nin üstünde olabilir.”
Son gelişmeler ışığında sanki nanoteknoloji, Eric K. Drexler’m vizyonuyla hiç ilgisi olmayan bir şey.
Nanoteknolojinin babası olarak gösterilen Drexler, terimi, 1986 tarihli “Yaratılışın Motorları” (Engines of
Creation) başlıklı kitabında genel kullanıma soktu. Drexler, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MİT)
çalışan bir araştırmacıydı. Bilimsel kehanetlerle düşleri uygun dozlarda karıştıran popüler kitabı çok ilgi
uyandırmıştı. Minyatür montajcıların, kandaki hastalıklı hücreleri tek tek iyileştirdiği bir gelecek
öngörüyordu. Yapay beyinler icat ediliyor, atmosfer kirlilikten arındırılıyor, binalardan uzay araçlarına kadar
her şey, atom atom üstüne koyularak inşa ediliyordu. Kendi kendini kopyalayan montajcılar, dünyayı
yoksulluk ve açlıktan kurtaracaktı. Onlar yeni bir sanayi devriminin öncüleriydi.

Drexler, küçüğü düşleyen ilk kişi değildi. Ondan yaklaşık 30 yıl önce, 29 Aralık 1959’da, tanınmış
fizikçi Richard Feynman, Amerikan Fizik Derneği’nde, “Altta daha boş yer var” başlıklı ünlü bir
konuşma yaptı. Feynman, günümüze dek yazılmış bütün sözcüklerin, 0,1 milimetrelik bir küpe
sığacağını hesaplamıştı (insan gözünün görebileceği en küçük kıymık). 100 atomun bir bitlik bilgiye
karşılık geldiği sayısal biçimde depolanacaktı.
Feyman’ın görüsünün peşinden giden bilgisayar endüstrisi, bu alanda büyük gelişmelere imza attı.
Elbette, klasik silikon devre teknolojisi, 10 yıl içinde küçülme sınırına dayanacak. Son otuz yılda,
bir mini cipteki devamlı küçülen transistorlar, 18 ayda bir-iki katına çıktı. Mikroçipler, bir kalıba
açılmış geometrik şekillerin içinden geçerek, silikona devreler kazıyan ışınlarla üretiliyor. Bu,
incecik bir keskiyle, taşa incelikli kabartmalar kazımaya benziyor. Karmaşık devre yollarını
çizmenin tek yolu da, kalıp işlevi gören ışık filtreleri kullanmak.
Bilgisayar teknolojisi, gelişkin taşbaskı sistemlerini silikona uygulayarak, yıllardır seri üretim yapıyor ve
maliyeti düşürüyor. Bu yüzden, taşbaskı yönteminin bilgisayar ciplerinden başka şeylerde de kullanılması
insanı şaşırtmamalı. Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) adı altında, gittikçe büyüyen bir pazar ortaya
çıktı. Bunlar, mikroskobik elektronik ve mekanik bileşenleri bir araya getiren minik düzenekler.
MEMS aygıtları, nanoteknoloji çerçevesinde sınıflandırılıyor; ama, o kadar küçük olmadıklarından, dar
anlamıyla nanoteknolojik sayılmıyor. MEMS’ler, nanometreden 1.000 kat uzun mikrometrelerle ölçülüyor.
MEMS pazarı yılda 10 milyar dolar kazandırdığından, üreticilerin aldırmadığı bir fark bu. MEMS hareket
duyargaları ve şalterleri, mürekkep püskürten yazıcıların kafalarında (inkjet), oyun çubuklarında (joystick) ve
hava yastıklarındaki ivme saptayıcılarında kullanılıyor.
MEMS üstünde çalışan bilim insanları, karmaşık makinelerin prototiplerini üretiyorlar. Berkeley, California
Üniversitesi’nde, dünyanın en küçük içten yanma motorunu imal ettiler: Bu, hafif yakıtla çalışan ve dakikada
40.000 devir yapan bir rotor. Gelecekte, dizüstü bilgisayarlara, sayısal kameralara ve diğer taşınabilir
elektronik cihazlara, mikro jeneratör olarak güç sağlayabilir. Amerika’nın Sandia Ulusal Laboratuvarları’nda
hizmet veren araştırmacılar, bu motorları daha da kullanışlı kılmak üzere kayış, zincir ve tekerlek kolu eklemeyi amaçlıyorlar. Böylece, motordan devre kartının başka bir yerine güç aktarılabilir.
MEMS’ler birden fazla aygıtı da besleyebiliyor. MEMS’lere mikroskobik vitesler ekleyen bilim insanları, ufak
motorların gücünü 3 milyon kat artırdılar ve 450 gramlık nesneleri havaya kaldırabildi-ler. Bu bağlamda, Lal
Kitap’tan çıkan Nathan Never çizgiromanının 1. ve 2. sayıları, söz konusu motorlarla insanın gücünü 10 kat
artıran dış iskelet tulumlarından söz ediyor. İlk akla gelen kullanım alanları, fırlatma maliyetleri yüzünden
hafif üretilen uydular ve hatta kapı kilitleri.
MEMS’ler basit minyatür makineler değil. Optik teknolojiyle bir araya gelerek tıpta da kullanılabilir. Örneğin,
bir yüzeyi tarayan lazer ışınına bakarak 3 boyutlu görüntüler elde eden eşodaklı mikroskoplar küçültülebilir.
Şimdilik, bu mikroskoplar bir fotokopi makinesi boyunda, ama UÇ Berke-ley’den Profesör Luke P. Lee, daha
küçük bir model üretti. “Milyon dolarlık makineyi, top uçlu tükenmez kalemin tepesinde dengede duracak
kadar ufalttık” diye açıklıyor.
Pek çok etkileyici kullanım alanı var. Lee’nin l milimetreküplük eşodaklı mikroskobu, hastalıklı hücreleri
gözlemlemek için insan bedenine girebilir. “Bu aygıtı bir kanser hastasında tetkik için kullanılan endoskopun
ucuna takabilirsiniz. Böylelikle, doktorlar, tümör hücrelerinin gerçek zamanda nasıl davrandığını görebilirler.
İlaçları doğrudan tümör hücresine vermek ve hücrelerin ilaca nasıl tepki verdiğini gözlemek iyi olurdu.”

Daha da Küçük

Geleneksel taşbaskının sınırları var. Bilim insanları, gittikçe daha küçük ve kesin ölçekli makineler
icat etmeyi arzuluyorlar. MİT’in Uzay Nanoteknolojisi Laboratuvarı’nda, ışın taramalı taşbaskı
tekniği geliştirildi. Bu yöntemle, bir argon iyon lazerinin ince ışını, yüzeyde 200 nm’de tekrarlanan
ve l nm. ölçeğinde kesin desenler çiziyor.
Bu ölçekte, uzay teleskopları için incelikli ızgaralar yapılıyor. MİT ekibi, bu ızgaraları, geleceğin
Constellation-X ve MAXIM uzay seferleri için, kozmik X ışınlarını saptayabilmeleri amacıyla üretti.
İnce ızgaralar, çözünürlüğü yükselterek, geniş bir frekans tayfının incelenmesine olanak tanıyor ve
ışığı farklı renklere ayıran cam bir prizma gibi işliyor. Laboratuvarın müdürü Dr. Mark
Schattenburg şöyle açıklıyor: “Izgaralar, bir tayftaki X ışınlarını büküyor ve uzun dalga boylarını
büyük açılara, kısa dalga boylarını da dar açılara eğiyor. Periyot kısaldıkça, açılar genişliyor ve
farklı bileşenlerin arasındaki uzaklık artıyor.”
MAXIM, 2010 yılına kadar fırlatılmayacaksa da beklemeye değer. Izgaralar, Hubble Uzay Teleskopu’ndan
300.000 kat yüksek bir çözünürlük sağlayacak. Bu, Güneş’te yemek tabağı büyüklüğünde bir yeri seçmeye eş.
Schattenburg, “Bu çözünürlük, galaksinin merkezinde saklandığı düşünülen süper masif kara delikleri
görmemizi sağlayacak” diye belirtiyor.
Zor Zanaat
Evrendeki en büyük cisimlerden en küçük nesnelere geçmek, hatırı sayılır bir sıçrayış yapmak demek.
Nanoteknoloji tam da bu noktada yardımcı oluyor. Maksat, birkaç molekülü saptayabilen bir detektör
geliştirmek. Böylece, terörist saldırılar ve salgın hastalıklar önlenebilir. Nitekim, “hassas burunlu” cihazlar
seri olarak üretilmek üzere. ABD, Harvard Üniversitesi’nden Prof. Charles Lieber, kötü huylu hücrelerle
bağlantılı proteinlerin eser miktardaki izlerini saptayarak, prostat kanserinin yayıldığı yeri işaretleyen
silikondan bir nanokablo yaptı.
Şimdiden bir prototip geliştiren Lieber’in ekibi, az sayıda bakteri, hatta virüsü ortaya çıkaran nanokablolar
üstünde çalışıyor. “Molekülün doğal yükü, tek bir virüsü belirlememizi sağlayacak bir sinyal veriyor.
Dolayısıyla virüsleri kolaylıkla belirleyebileceğiz…”
Silikon çok küçük boyutlarda detektörler yapmak için ideal, ama nanoteknologları en çok heyecanlandıran
başka bir madde daha var: karbon nanotüpler. 1991’de, bir Japon araştırmacı tarafından tesadüfen keşfedildi.
Nanotüpler, içi boş silindir halinde sarılmış karbon atomu yapraklan. Bu yapraklar, iki ucunda birer şapka
olan tavuk şişme benziyor ve sıradışı özelliklere sahip. Çelikten 10 kat güçlü, 6 kez hafif. Köprü, uçak ve uzay
asansörü yapmaya çok uygun. Tek sorun, laboratuvar kaynaklı en uzun nanotüpün 10 milimetre boyunda
olması.
Küçük makineler için karbon nanotüpler son derece yararlı. Çünkü MEMS aygıtlarını etkileyen sorunlardan
biri, saniyede binlerce kez sürtünerek aşındıran minik parçacıklar. Nanotüp yataklar ise hemen hiç sürtünüp
aşınmıyor, çünkü karbonun bütün kimyasal bağları kullanılıyor. Bir başka ifadeyle yabancı elektronların
bağlanıp kopartarak aşındıracağı boş bağlar yok. UÇ Berkeley’den Prof. Alex Zettl’a göre, hem iletken hem de
yalıtkan olarak yararlanılabilen nanotüpler, hemen her elektromekanik cihaza uyuyor. “Laboratuvarda küçük
ölçekli motorlar, şalterler, duyargalar ve ufak makinelerin diğer parçalarım yapıyoruz.”
Geçtiğimiz aylarda keşfedilen nanotüpler dışında, Feynman’ın yaptığı konuşma olmasaydı, Zettl’ın çalışması
da gerçekleştirilemezdi. Işık mikroskoplarıyla atomları görmek olanaksız ve elektron mikroskobuyla görmek
ise, hem zor hem de kullanışsız. Işık mikroskobu ise sadece ışığın dalga boyundan daha büyük nesneleri
görebiliyor (380 nm.) Dolayısıyla atomları olduğu gibi görüntülemek için henüz erken.

Daha da Küçük
Geleneksel taşbaskının sınırları var. Bilim insanları, gittikçe daha küçük ve kesin ölçekli makineler
icat etmeyi arzuluyorlar. MİT’in Uzay Nanoteknolojisi Laboratuvarı’nda, ışın taramalı taşbaskı
tekniği geliştirildi. Bu yöntemle, bir argon iyon lazerinin ince ışını, yüzeyde 200 nm’de tekrarlanan
ve l nm. ölçeğinde kesin desenler çiziyor.
Bu ölçekte, uzay teleskopları için incelikli ızgaralar yapılıyor. MİT ekibi, bu ızgaraları, geleceğin
Constellation-X ve MAXIM uzay seferleri için, kozmik X ışınlarını saptayabilmeleri amacıyla üretti.
İnce ızgaralar, çözünürlüğü yükselterek, geniş bir frekans tayfının incelenmesine olanak tanıyor ve
ışığı farklı renklere ayıran cam bir prizma gibi işliyor. Laboratuvarın müdürü Dr. Mark
Schattenburg şöyle açıklıyor: “Izgaralar, bir tayftaki X ışınlarını büküyor ve uzun dalga boylarını
büyük açılara, kısa dalga boylarını da dar açılara eğiyor. Periyot kısaldıkça, açılar genişliyor ve
farklı bileşenlerin arasındaki uzaklık artıyor.”
MAXIM, 2010 yılına kadar fırlatılmayacaksa da beklemeye değer. Izgaralar, Hubble Uzay Teleskopu’ndan
300.000 kat yüksek bir çözünürlük sağlayacak. Bu, Güneş’te yemek tabağı büyüklüğünde bir yeri seçmeye eş.
Schattenburg, “Bu çözünürlük, galaksinin merkezinde saklandığı düşünülen süper masif kara delikleri
görmemizi sağlayacak” diye belirtiyor.
Zor Zanaat
Evrendeki en büyük cisimlerden en küçük nesnelere geçmek, hatırı sayılır bir sıçrayış yapmak demek.
Nanoteknoloji tam da bu noktada yardımcı oluyor. Maksat, birkaç molekülü saptayabilen bir detektör
geliştirmek. Böylece, terörist saldırılar ve salgın hastalıklar önlenebilir. Nitekim, “hassas burunlu” cihazlar
seri olarak üretilmek üzere. ABD, Harvard Üniversitesi’nden Prof. Charles Lieber, kötü huylu hücrelerle
bağlantılı proteinlerin eser miktardaki izlerini saptayarak, prostat kanserinin yayıldığı yeri işaretleyen
silikondan bir nanokablo yaptı.
Şimdiden bir prototip geliştiren Lieber’in ekibi, az sayıda bakteri, hatta virüsü ortaya çıkaran nanokablolar
üstünde çalışıyor. “Molekülün doğal yükü, tek bir virüsü belirlememizi sağlayacak bir sinyal veriyor.
Dolayısıyla virüsleri kolaylıkla belirleyebileceğiz…”
Silikon çok küçük boyutlarda detektörler yapmak için ideal, ama nanoteknologları en çok heyecanlandıran
başka bir madde daha var: karbon nanotüpler. 1991’de, bir Japon araştırmacı tarafından tesadüfen keşfedildi.
Nanotüpler, içi boş silindir halinde sarılmış karbon atomu yapraklan. Bu yapraklar, iki ucunda birer şapka
olan tavuk şişme benziyor ve sıradışı özelliklere sahip. Çelikten 10 kat güçlü, 6 kez hafif. Köprü, uçak ve uzay
asansörü yapmaya çok uygun. Tek sorun, laboratuvar kaynaklı en uzun nanotüpün 10 milimetre boyunda
olması.
Küçük makineler için karbon nanotüpler son derece yararlı. Çünkü MEMS aygıtlarını etkileyen sorunlardan
biri, saniyede binlerce kez sürtünerek aşındıran minik parçacıklar. Nanotüp yataklar ise hemen hiç sürtünüp
aşınmıyor, çünkü karbonun bütün kimyasal bağları kullanılıyor. Bir başka ifadeyle yabancı elektronların
bağlanıp kopartarak aşındıracağı boş bağlar yok. UÇ Berkeley’den Prof. Alex Zettl’a göre, hem iletken hem de
yalıtkan olarak yararlanılabilen nanotüpler, hemen her elektromekanik cihaza uyuyor. “Laboratuvarda küçük
ölçekli motorlar, şalterler, duyargalar ve ufak makinelerin diğer parçalarım yapıyoruz.”
Geçtiğimiz aylarda keşfedilen nanotüpler dışında, Feynman’ın yaptığı konuşma olmasaydı, Zettl’ın çalışması
da gerçekleştirilemezdi. Işık mikroskoplarıyla atomları görmek olanaksız ve elektron mikroskobuyla görmek
ise, hem zor hem de kullanışsız. Işık mikroskobu ise sadece ışığın dalga boyundan daha büyük nesneleri
görebiliyor (380 nm.) Dolayısıyla atomları olduğu gibi görüntülemek için henüz erken.

Nanoteknoloji sektöründe, 1981 yılında, taramalı tünelleme mikroskobunun (Scanning Tunneling
Microscope – STM) icat edilmesiyle büyük bir patlama yaşandı: Tıpkı genç kuzeni atomik kuvvet
mikroskobu gibi, keskin bir uçla dokunurcasına taradığı yüzeyi “hissediyor” ve atomların kuşbakışı
üç boyutlu görüntülerini elde ediyor.
Bu iki tip mikroskop, basit resim çekmenin ötesinde işlevlere sahip. STM aracılığıyla, silikonların
atomlarını tek tek düzenleyen Wisconsin-Madison Üniversitesi araştırmacıları, bir prototip
bilgisayar veri depolama sistemi geliştirdiler. Vakumda yavaş çalıştığından, PC’nizin sabit
sürücüsünün yerini almaktan uzak. Ama bilimin, Feyman ve Drexler’ın maddeyi olabilir en küçük
ölçekte yönlendirmeye ne kadar yaklaştığının bir göstergesi.