Canlı memeli nöronlarının axonları ve dentritleri boyunca iletilen

TEK BİR ATOMUN AĞIRLIĞINI TARTABİLEN TERAZİ
NANOELEKTROMEKANİK (NEMS)
BİYOSENSÖRLER
Canlıların yapıtaşları olan biyomoleküllerin kütlelerini ölçebilir miyiz? Yapay burunlar ile hastalıkları
koku yoluyla erken teşhis edebilir miyiz? Manyetik rezonans görüntülemeyi moleküler boyuta indirmek
mümkün mü? Bu soruların cevabını bu yazıda arıyoruz.
Ağırlık, kütle veya kuvvet ölçümleri günlük hayatımızın bir parçasıdır. Pazara gittiğimizde
kiloyla meyve, sebze alıyoruz. Ne kadar mal aldığımızı belirlemek için ise bir terazi kullanıyoruz.
Ölçtüğümüz kütle ile kullandığımız terazinin kütlesi aşağı yukarı benzerdir. Daha küçük kutleleri
ölçebilmek için daha hassas teraziler kullanırız. Bunlar da genelde daha küçüktür. Peki terazinin
boyutlarını bir milyar kere küçültürsek ne olur? Terazimizin boyutlarını bir milyar kere küçültürsek
tek bir atomun ağırlığını ayırdedebilir miyiz?
Önce tek atom veya molekülün ağırlığının ölçülmesinin ne işe yarayacağını düşünelim.
Bildiğimiz gibi vücudumuz hücrelerden ve
biyomoleküllerden oluşur. Hastalıkları taşıyan
bakteriler veya virüsler, boyut ve bazı özellikleri
açısından
hücreler
olarak
düşünülebilir.
Hücrelerin işleyişinde moleküller görev alır.
Genetik bilgiyi taşıyan DNA veya bundan
protein üretiminde görev alan RNA ve hücrenin
temel
yapı
maddesi
moleküllerdir.
kendilerini
olan
proteinler
Moleküllerin
oluşturan
atomların
hep
ağırlıkları
ağırlıklarının
Şekil 1: Kanserli hücreden çıkan
toplamına eştir. Her protein molekülü binlerce moleküller NEMS algılayıcı dizisi ile
analiz edilerek, erken teşhis
atomdan oluşur ve ağırlıkları yapısına göre farklıdır.
Proteinlerin hastalıklarla ilgili olan bir
yapılabilir
kısmının başka güzel bir özelliği daha vardır. Bunların herbirisinin severek bağlandığı eşleri olan
başka proteinler vardır. Eğer bir yüzeyi A proteinin sevdiği bir molekülle kaplayabilirseniz, ortam
sıvısına A proteini koyduğunuzda zaman içinde A molekülleri gidip eşlerini bulur ve onlara
BİLİM ve TEKNİK NANOTEKNOLOJİ ÖZEL SAYISI
bağlanırlar, ve yüzey A molekülü ile kaplanmış olur. Eğer bu kapladığınız yüzey, terazinin yüzeyi
ise ve teraziniz molekülerin ağırlıklarını ölçebilecek kadar hassas ise, o zaman A molekülünün
varlığını ağırlığa bakarak ölçebilirsiniz. Kütle ölçümünün en ümit verici uygulamalarından birisi
budur. Nanoelektromekanik sistemler adı verilen nano boyutta mekanik hareket ve bunun
elektriksel ölçümler ile dış dünyaya bağlanması üzerine kurulu araştırma konusu, çok küçük
terazilerin çalışma prensipleri, tasarımları ve üretimleri konusunda bize yardımcı olur. Eğer çok
düşük miktarlarda biyomoleküllerin varlığını ölçebilirsek o zaman çesitli kanser türlerini, hormonal
ve genetik bazı hastalıkları çok erken safhalarda teşhis edebiliriz. Mesela sabah kalktığınızda
yüzünüzü yıkadıktan sonra, cep telefonu gibi küçük bir aygıta üflediniz ve alet size “Doktora
görünseniz iyi olur, A, C ve E proteinleri normalin 10 katı düzeyde. Hasta olabilirsiniz…” diye
tavsiyede bulunduğunu düşünelim. Sağlık alanında bu gibi uygulamaların ne kadar değerli
olacağını tahmin edebiliriz.
Nanoelektromekanik sistemler konusu, genelde salınım yapan (yani titreşen), en az bir boyutu
100 nm civarında büyüklüğe sahip olan mekanik yapıları çalışır. Herhangi bir cisim, etrafında
bulunan moleküllerin sıcaklık etkisi ile hareketlenip kendisine çarpması ile titreşir. Buna Brownian
Hareketi adı verilir. Bu etki, boyutlar küçüldüğünde daha gözle görülür bir hale gelir. Nanoboyutta
mekaniğin yasaları sanki Newton kanunlarından farklıdır. Cisimler üzerlerine dış bir kuvvet etki
etmese de hareket eder veya dururlar. Eğer nanoboyutlu bir terazi yaparsanız terazinin kollarının
yerinde bir türlü duramadığını gözlersiniz, üzerine bir ağırlık koymasanız da kollar aşağı yukarı
oynaşırlar. Bu etkiyi engebeli bir arazide hızla giden bir aracın içinde hassas bir terazi ile altın bir
yüzüğün ağırlığını ölçmeye çalışan bir insanın karşılaşacağı duruma benzetebiliriz. Her yer
sallandığı için ağırlığı ölçmek pek te kolay olmayacaktır. İşin güzel tarafı, Brownian Hareketi
termodinamik
yasalar
çerçevesinde iyi anlaşılan
bir etkidir. Dolayısı ile
etkinin
büyüklüğünü
hesaplayabilir,
ve
yapılacak
ne
terazinin
kadarlık bir kütleyi rahatça
ölçebileceğini
edebiliriz.
tahmin
Bu,
aygıt
Şekil 2: Silisyum üzerine üretilmiş olan NEMS yapılar. Titreşen
teller terazi olarak kullanılmaktadır. Bu yapılarla 10000 altın
atomunun ağırlığını ölçmek mümkündür.
tasarımı için önemlidir.
Nano-terazi’nin hassasiyetini belirleyen başka bir etken de sürtünmedir. Nanoboyutta, günlük
hayatta pek farketmediğimiz bazı etkiler ortaya çıkar. Mesela malzemedeki atomların aralarındaki
bağların kopması veya yeni bağlar oluşması malzemedeki iç enerji kayıplarına sebep olur. Bunun
BİLİM ve TEKNİK NANOTEKNOLOJİ ÖZEL SAYISI
gibi kayıplar yüzünden ölçüm hassasiyetimiz sınırlanır. Bu gibi etkiler de nano-terazi tasarımında
önem taşımaktadır.
Nanoteraziler genelde ağırlık değil kütle ölçer. Bunun da sebebi kütle ölçümünün ağırlık
ölçümüne göre çok daha güvenilir, hızlı ve hassas olmasıdır. Bu ölçüm metodunu kabaca bir yay
ucuna bağlı kütle ile yapılan salıngacın salınım frekansını ölçmek olarak tarif edebiliriz. Nano
boyutlu bir yay ve nano bir kütle yüksek frekanslarda (10 MHz ila 1GHz) titreşir. Üzerine yapışan
bir atom bu titreşim frekansını kaydırır. Bu frekansı ölçerek yapışan kütlenin büyüklüğünü tahmin
edebiliriz.
Nano boyutta gitar telleri (yani çok ince olan iki ucu sabitlenmiş tel benzeri yapılar) nanoterazi
olarak kullanılabilir. Bu teller doğal yollarla (karbon nanotüpler veya silisyum nanoteller gibi) ya
da baskı teknikleri (elektron demet baskısı veya nanokontak baskı teknikleri) ile yapay olarak
oluşturulabilir. Bu tip ölçümlerde ucuz üretim metodları (nano boyutta patates baskısı olarak
düşünülebilecek nanokontak baskı tekniği gibi) nanoelektromekanik sistemlerin günlük hayata
girmesini kolaylaştırabilecektir.
Küçük
ölçülmesi
kuvvetlerin
temel
fizik
açısından da önem taşır.
Kuvantum
mekaniğinin
yasalarına
göre,
çok
atomdan oluşan cisimlerin
de aslında dalga özelliği
göstermeleri gerekir. Fakat
büyük boyutlu cisimlerde
bu etkiyi gözlemek oldukça
zordur.
Şekil 3: 10-19 Newton civarındaki kuvvetlerin ölçülebilmesi
halinde tek bir nükleer manyetik momentin manyetik rezonansı
ölçülebilir ve moleküllerin manyetik rezonans görüntülemesi
yapılabilir. Bu da moleküllerin yapısının doğrudan
görülebilmesine izin verebilir. IBM Almaden laboratuvarlarında
bu konuda 20 yıldır çalışılmaktadır ve geçtiğimiz yıl tek
elektronun manyetik sinyali gözlemlenmiştir.
Nanoelektromekanik
sistemler bu konuda da büyük bir katkı sağlayabilir. Sıvı helium veya daha düşük sıcaklıklara (5
mK) inilerek ve yüksek frekanslara (GHz) çıkılarak, mekanik yapıların da kuvantum fiziğine tabi
olduğunu direk olarak göstermek mümkün olacaktır. Bu koşullarda ölçüm doğrudan Heisenberg
belirsizlik ilkesi ile sınırlanmış olur. Bu konuda ön sonuçlar varsa da sonuçların kesinleştirilmesi
gerekmektedir.
Küçük kuvvetlerin ölçülmesini gerektiren benzer temel bir araştırma alanı da Nano Manyetik
Görüntüleme konusudur. Küçük kuvvetler dediğimizde attonewton (10-18 Newton) civarındaki
kuvvetlerden bahsediyoruz. Bu kadar küçük kuvvetlerin ölçümü bir başka yönden de zordur.
Mesela, Kasimir etkisi denilen elektromanyetik dalgaların kuvantizasyonu ile ilgili ve günlük
BİLİM ve TEKNİK NANOTEKNOLOJİ ÖZEL SAYISI
hayatta gözlemlenmesi çok zor olan bir etki, burada bahsedilen hassasiyet söz konusu olduğunda,
ölçülmek istenilen kuvvetlerden çok daha büyük olabilmekte ve ölçümleri sınırlayabilmektedir.
Temel fizik ve teknoloji açısından göz ardı edilemez yenilikleri vaad eden NEMS ile
önümüzdeki yıllarda daha yakından tanışacağa benziyoruz.
Bilkent Üniversitesi laboratuvarlarında nanomekanik yapılarla kuvvet ve kütle ölçümünün
temel sınırları ve çeşitli algılayıcılara uygulanması çalışılmaktadır. Ucuz ve güvenilir üretim
teknikleri ile erken teşhiste kullanılmak üzere biyolojik algılayıcılar geliştirilmesi UNAM’ın
öncelikleri arasındadır.
Dr. Aykutlu Dâna
Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi
(İletişim: [email protected])
________________________________________________________________________________
Kaynaklar
1.
K. L. Ekinci ve meslektaşları, Nanoelectromechanical systems, Review of Scientific Instruments, 1 Haziran
2005.
2.
A. M. Fannimore ve meslektaşları, Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature, 24 Temmuz 2003.
3.
V. Sazonova ve meslektaşları, A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator, Nature, 16 Eylül 2004.
BİLİM ve TEKNİK NANOTEKNOLOJİ ÖZEL SAYISI