Sadece 235 atom kullanarak bir yarış arabası tasarladık!

“Sadece 235 atom kullanarak bir yarış arabası tasarladık!” başlığını gördünüz ve şimdi merak ediyorsunuz, nasıl bir tık tuzağına yakalandım diye… Eğer böyle düşünüyorsanız henüz bu kanala abone değilsiniz demektir. Çünkü burada izleyicileri kandıran, yanıltıcı başlıklara asla yer yok. Bu videoda gerçekten atomları kullanarak dünyanın en küçük yarış arabasını tasarlayacağız. Bir nanocar tasarımı yapacağız. 

Nano “cüce” demek. Bilim dünyasındaysa nano ile tanımlanan ifadeler, herhangi bir ölçünün milyarda birini gösterir. 1 nanometre metrenin milyarda biri demektir ve bu da yaklaşık 3 altın atomunun uzunluğudur. 

Bilim insanları artık maddeyi bu seviyelerde kontrol edebiliyor. 1974’de “nanoteknoloji” adı verilen bu alanda başlatılan araştırmalar tüm hızıyla devam ediyor. Atomlar bir araya getirilerek “moleküler makineler” yapılıyor. Aziz Sancar’ın kimya alanında Nobel ödülü almasından 1 yıl sonra 2016 yılında bu kez moleküler makinelerin tasarımı ve sentezlenmesi alanında yapılan çalışmalara bir Nobel ödülü verildi. 

Bu ödülün verilmesinden 1 yıl sonra da bilim insanları sadece moleküler makineler tasarlamakla kalmadı bunların performansını ölçmek için bir yarışma düzenledi. Bir araba yarışı. Ama nano ölçekte bir araba yarışı. Farklı ülkelerden toplam 6 takım 2017’de dünyanın ilk “nanocar yarışı”nda kıyasıya bir mücadele verdi. Bu kısmı biraz abarttım 🙂 Kıyasıya diyemeyiz bu yarışa, kimse kimseye kıymadı.

Kendi tasarladığı atomlarıyla uğraştı. Her takım önce kendi seçtiği atomlarla kendi araç tasarımını yaptı. Bu araçlar o kadar küçük ki, sıradan mikroskoplarla (yani optik olarak) göremiyorsunuz. Özel elektron mikroskopları kullanmak zorundasınız. “Taramalı tünelleme mikroskobu” adı verilen bu cihazlarla aynı zamanda tasarladığınız aracı hareket ettirmek zorundasınız. Her araba yarışında olduğu gibi bu yarış için de özel hazırlanmış bir piste ihtiyaç var.  Yeterince düz olabilmesi için pistte altın tercih edilmiş. Altından yapılmış yollarda yarışmış bu “nanocar”lar. Tabi saç telinin yüzde biri kalınlığındaki bir yoldan söz ediyoruz. 

Bu kadar küçük ve kısa olmasına rağmen yarışmacılar 36 saat boyunca mücadele verdiler. Fakat bu o kadar garip bir mücadele ki. Bir takımın “nano arabası” bir yere takılıp kaldı. Molekülü imha etmek zorunda kaldılar. Bir tanesinin motoru takıldı. Bir takım yarışırken arabasını kaybetti. Yani katılmak bir kenara yarışı bitirebilmek bile büyük bir başarı. Birinci olan takım 2 saatin altında tamamlarken bir başka takım 29 saatte yarışı bitirdi.

Şöyle düşünün. Bir arabayı kullanabilmek için bile önce bir eğitim alıyorsunuz, defalarca kez sürüş pratiği yapıyorsunuz ve en sonunda bir sınava girerek ehliyet aldıktan sonra o arabayı kullanabiliyorsunuz. Yarışçı olabilmek bundan çok daha zor. Nanoteknoloji alanında çalışan bu araştırmacılar göremedikleri arabaların hem tasarımlarını yapıyorlar hem de onu en yüksek hıza ulaştırmaya çalışıyorlar. İşte bu tür zorlukları kolaylaştırmak için günümüzde ne yapılıyor? Özellikle yarışçıların eğitiminde bilgisayarlardan destek alınıyor. Simülasyonlar kullanılıyor. Arabalar yine çok özel tasarım yazılımlarıyla en yüksek performansa ulaştırılıyor. Dünyanın ilk nanocar yarışında bu tür imkanlar yokmuş ve o yüzden de birbirinden çok farklı sonuçlar alınmış. Şimdilerde 2021’de yeni bir yarış yapılması planlanıyor ve bu kez bu yarış için 23 takım hazırlık yapıyor.  

Daha profesyonel bir hazırlık yapabilmek için bu kez çok daha iyi tasarlanmış nanocar’lara ihtiyaç var. Bunun için de özel bir bilgisayar yazılımı kullanmak gerekiyor. İşte arkamdaki ekranda görmüş olduğunuz kişi böyle bir bilgisayar yazılımı geliştirdi. Çok genel bir ifadeyle “dünyanın en küçük arabalarını tasarlayan bir Photoshop” yaptı. Daha doğru ifadeyle “nanocar tasarımı yapan bir çeşit AutoCad yazılımı geliştirdi.”

——–

Evet, gördüğünüz gibi Pittsburgh Üniversitesi’nde bilgisayarlı malzeme tasarımı konusunda doktora yapan Kutay Sezginel bilgisayarla “dünyanın en küçük araba yarışı”nı organize etmek istiyor. Kutay’ın çalıştığı laboratuvardan Chris Wilmer bu işin aynı zamanda bir sanat olduğunu söylüyor.

“Daha iyi nanocarlar tasarlamanın en az yüzde 50 sanat ve yüzde 50 bilim olduğunu düşünüyorum.”

Daha iyi nanocarlar tasarlamak neden bu kadar önemli? Çünkü bu aslında daha iyi yapay moleküler makineler tasarlamak demek. Atomları kullanarak basit bir “rotaxane” yaptınız diyelim. Gördüğünüz bu iki durum arasında hareket eden basit ve küçük mekanizma ne işe yarayacak ki diye düşünebilirsiniz. Tek başına bir işe yaramayabilir belki ama bunları yan yana getirip bir zincir oluşturursanız yapay bir kas dokusu yapabilirsiniz.

Aslına bakarsanız tam şu anda vücudumuzda milyarlarca moleküler makine çalışıyor. Bunlar yapay değil biyolojik moleküler makineler. Size bir örneğini göstereyim. Bu gördüğünüz yürüyen arkadaş da bir çeşit yarışçı diyebiliriz. Kinesin proteini. Hücrelerimizin içinde altından yapılmış yollarda değil de silindir şeklinde mikrotübül yapılar üzerinde yürüyorlar. Bunlara taşıyıcı motor protein adı veriliyor. Kinesinin bu hareketinin mitoz, mayoz ve hücre içi taşıma işlemlerinde önemli bir rolü var. Buna benzer daha pek çok farklı moleküler makine hücrelerimizde her an çalışmaya devam ediyor. 

100 yıl kadar önce Wright kardeşler ilk uçak tasarımını yaptıklarında bu ne işe yarayacak ki diye soranlar olmuştu. Belki cevabı kendileri bile tam olarak bilmiyordu. 66 yıl sonra bırakın uçakların ne işe yarayacağını anlamayı Ay’a ilk insanları götüren roketler havalandı yeryüzünden. 50 yıl daha geçti ve artık bugün koskoca bir havacılık ve uzay endüstrisinden söz ediyoruz.

Az önce sadece 235 atomu kullanarak tasarladığımız yarış arabası çok küçük olabilir. Gerçekten de öyle. O kadar küçük ki bu yarış arabalarından 1 milyon tane üretip arka arkaya eklesek bu konvoy sadece 4 mm uzunlukta olurdu. Bir karınca kadar. İşte karınca kararınca başlayan bu işler, bakalım bir gün hangi boyutlara erişecek?