IBM Research, pazar günü yayınladığı bir basın toplantısında nanoelektronik alanı için önemli olan bir çalışmayı anlattı.

İnsanoğlu bilgisayarların kapasitesinin sürekli artmasını istiyor, çünkü bazı problemler hâlâ bilgisayarların yetersizliğinden dolayı çözülemiyor. Bilgisayarların kullandığı çiplerin her 18 ayda geliştiğini söyleyen Moore Yasası‘nın devamı tehlikede. Günümüzde, çiplerdeki yapılar birkaç atomdan oluşuyor, eğer bir gelişme yapılmazsa, Moore Yasası’nın sonunun gelebileceği düşünülüyor. Nanoboyutta silikonunun mikroboyutlarda gösterdiği özellikleri göstermemesi, devrelerde yeni malzemeler kullanmamızı gerektiriyor. Nanoelektronik alanı da nanoboyutta elektronik araçlar geliştirme bilimi diyebiliriz.

Nanoelektronikteki cevaplanması gereken bir soru da ısının malzeme içinde nasıl yer değiştirdiği. Devreler çalışırken ısı ortaya çıkardığı için bilgisayarlarımızda fanlar var. Isının nasıl oluştuğunu, nasıl ilerlediğini bilmek cihazın performansını artırmak için önemli.

IBM yaptığı çalışmada aktif bir transistördeki bir yalıtkan karbon nanotüpteki enerjinin nasıl ısıya dönüştüğünü ve ısının nasıl yer değiştirdiğini incelemiş. Nanotüpten akım geçerken rezonant ışık saçılma algılaması gibi yöntemlerle nanotüpün optik özelliklerindeki değişim gözlemlenmiş.

Çalışma Nature Nanotechnology dergisinin son sayısında yayınlanacak. Makale yayınladıktan sonra, habere bazı eklemeler yapmayı düşünüyorum.

Kaynak: 1 , 2

En küçük yazıyı yazma yarışı 50 yıldır nanoteknolojinin gelişmesine yardımcı oluyor.  İlk olarak Richard Feynman, 1959 yılında bir kitabın sayfasını 25.000 kez küçültecek ilk kişiye 1000 $ vereceğini açıkladı. Ödül 1985 yılında Stanford Üniversitesi elektrik mühendisliği öğrencisi Tom Newman’a verildi. Tom Newman elektron demeti litografyası kullanarak Charles Dickens’in İki Şehrin Hikayesi adlı hikayesini yazmıştı.

Daha sonra 1990′da IBM, tarama tünelleme mikroskobunu kullanarak IBM kelimesini 35 tane ksenon atomu ile yazdı.  Yazının boyutu 1.5 nm idi.

Dün “en küçük yazı oluşturma” rekoru tekrar Stanford Üniversitesi’ne geçti. “Stanford University”‘nin baş harflari olan S ve U harfleri 0.3 nm büyüklükte yazıldı.

Yazı, bakır kıymığı yüzeyindeki kuantum elektron dalgalarının girişimi ile oluşmuş.  Dalgalar hologram oluşturuyor,  ve böylece mikroskoplarla görülebiliyor. Bakır yüzeyin üzerine tarama tünelleme mikroskobu ile karbon monoksit molekülleri dizilmiş.

Kaynak: 1

Bu yazı Andrew Maynard’ın 2020 Science blogundaki “Asbestos-like nanomaterials – should we be concerned?” başlıklı yazının Türkçe çevirisidir. Çeviride hatalar bulursanız, yorum kısmında lütfen belirtiniz. Sizlerin de katkısı ile yazı daha da güzelleşecektir.

Korkarım ki “A” ile başlayan kelimeden kurtulamayacağız. Ne zaman ki uzun, ince, lifli nanomalzemelerin muhtemel sağlık etkilerini düşünmeye başlasak, aklımıza hemen “Bir sonraki asbest bu mu?” sorusu geliyor. Aslında meselenin şimdiye kadar çözülmüş olduğunu düşünüyorsunuzdur, çünkü karbon nanotüp gibi nanomalzemeler uzunca bir süredir ortalıkta. Yıllar geçtikçe soru devam ediyor, cevabı ise bulunamıyor. Cevap bulmak için deneme yapılmadı değil, gerçeği söyleyecek olursam, şimdiye kadar doğru araştırmaya yatırım yapma ilgisi olmadı.

Bu yazının yazılmasını lifli yapılı nanoparçacıkların olası sağlık etkilerini ortaya koyan bir raporun yayınlanması tetikledi.  Mesajlar ne kadar tekrarlanırsa tekrarlansın, gerçek şu ki mesele çözümden çok uzakta, ve eğer kısa zamanda çözülmezse bazı nanoteknoloji sektörlerine pahalıya mal olabilir.

Aslında rapor, kolay okunan bir rapor değil, bir devlet dairesi için hazırlanmış ve bir devlet dairesi raporu gibi okunuyor. Başka bir değişle, hedef kitle haricindeki kişilere o kadar da açık değil. Buna rağmen, bu nanomalzemeleri güvenli ve başarılı bir şekilde nasıl kullanacağımızla ilgili önemli bilgiler içeriyor.

Raporun önemli noktalarına birazdan geçeceğim. Fakat bundan önce karbon nanotüplerin güvenlik sorusunun tam olmayan, fakat bir hayli ilginç olan tarihçesini ortaya çıkarmakta fayda var.

Karbon nanotüpler 1950 ile 1980 yılları arasında birkaç araştırmacı tarafından gözlemleniyor. Fakat bu araştırmalar pek ilgi çekmiyor. (Bunu söylemekten nefret ediyorum fakat Wikipedia’da bu konu bayağı iyi işleniyor.) Ta ki Sumio Ijima’nın 1991 yılında Nature dergisinde “Grafitik karbondan sarmal mikroborucuklar” adlı bir makaleyi yayınlayıncaya kadar.

Ertesi yıl aynı dergide dikkatli bir not içeren mektup yayınlanıyor.  Mektup, Paul Calvert’in nanotüplerin de içinde bulunduğu nanofiberlerin olası faydalarından bahseden makalesine cevap niteliği taşıyor. Mektupta, Gerald Coles—bir hijyenci—şöyle diyor:

“Bayım—Her ne kadar Paul Calvert tarafından ilgi çekici olarak gösterilse de (Nature 357 365; 1992), ultra ince insan yapımı fiberler, özelliklede biyolojik organizmada bozunmayanlar, işçiler için risk taşıyor olabilir.

Şükür ki bugüne kadar üretilmiş olan sağlamlaştırılmış fiberlerin çapı 10 µm ya da daha fazla olduğu için,  iş ortamında ya da başka yerlerde havada uçuşan tozlara maruz kalma riski düşük. Fakat asbest dışındaki fiberler üzerindeki araştırmalar gösterdi ki, fiber malzemelerin morfoloji ve biyolojik devamlılığı, pnomokonyozis ya da mezotelyom gibi hastalıklara yakalanmada, kimyasal yapılarından daha etkili.

İş ortamında bu tip tozlara maruz kalmayı önlemek için alınacak önlemler, üretimdeki maliyetleri artırabilir. Bu durumda da Calvert tarafından söylenen “üretim maliyetlerinde dramatik düşüş” hayal olabilir.”

Bundan sonra, Bob Service’ın 1998 yılında Science dergisinde “Nanotüpler: Bir Sonraki Asbest Mi?” adlı haberine kadar, hiçbir şey olmadı. Service, haberinde şöyle diyor:

“Asbestin ilk tehlikeleri 1960 yılında mezotelyom hastalığı ile asbest tozlarına maruz kalma arasındaki ilişkiyi gösteren çalışmalarla ortaya çıktı. Asbest fiberlerinin akciğerin diplerine girecek kadar küçük olduğu ve orada yıllarca kalabileceği tespit edildi. Akciğere girdikten sonra silikat fiberlerindeki metaller katalizör rolü oynayarak, DNA ve diğer önemli hücre bileşenlerine zarar verebilecek aktif oksijen bileşikleri oluşturabilir.

Nanotüplerin bu özelliğe sahip olduğu bilinmiyor. Zararlı olup olmadıkları daha test edilecek. Fakat şimdiden görüş ayrılıkları var. “[Nanotüpler] çok muhteşem malzemeler olabilir,” diyor Art Langer, City University, New York’s Brooklyn College asbest uzmanı. “Fakat onlar [asbestin] özelliklerini gösteriyorlar, biz biyolojik özelliklerini de bağlantılı buluyoruz. Uyarı ışığı yanıyor. Langer, nanotüplerin kimyasal kararlılıkları dolayısıyla hücreler tarafından hemen yok edilemeyeceği, vücutta kalmaya devam edeceklerini ve iğne gibi yapılarından dolayı, dokulara zarar vereceğini söylüyor.”

Bu endişelerin bir etkisi oldu mu? Hayır. Tek katmanlı karbon nanotüplerin akciğerlerde tuhaflıklara yol açtığı ile ilgili birkaç çalışma yapıldı. Fakat bunlar çoğunlukla  fiziksel olarak asbeste benzemeyen malzemelerdi.

Bir sonraki köşe taşı 2006′da idi. Nature’daki makaleye birçoğumuz yorum yayınlamıştı. Şöyle demişiz:

“Fiber şeklindeki nanomalzemeleri soluk ile alma neticesinde akciğerlerde eşsiz bir zarar meydana geliyor. Bunun acilen incelenmesi lazım. Yeterli miktarda asbest fiberinin solukla vücuda alınması sonucu, mezotelyom hastalığı ortaya çıkıyor.

Her ne kadar fiber şeklindeki karbondan ya da diğer malzemelerden üretilen nanoboyuttaki parçacıkların asbest gibi davranıp, davranmayacağı bilinmese de, bazı malzemeler endişe uyandıracak kadar küçük. Asbeste benzer herhangi bir zararlı maddenin erken fark edilmemesi, hastalanmış insanların ve nanoteknoloji endüstrisinin geleceği için tahrip edici olabilir. Biz biodayanıklı nanotüp, nanotel ve nanofiberlerin sistematik bir şekilde 5 yıl içerisinde incelenmesini teklif ediyoruz.”

O zamandan beri, fiber şeklindeki karbon nanotüplerin mezotelyoma sebep olup olmadıklarını araştıran birkaç çalışma daha yapıldı, en göze çarpanı ise 2008 yılında Poland et al.i’n Nature Nanotechnology dergisinde çıkan makalesi. Özet olarak, makale nanotüplerin asbest fiberleri gibi davrandığını ortaya koymuştu.

Tarihçeye bakarsak, asbest ve nanotüp benzerliğinin belli bir süredir var olduğunu ama bu benzerliğin ne kadar olduğunu, ne gibi önlemler alınacağı hakkında pek bir şey yapılmadığı açıkça ortada.

Rapora geri dönelim. Bir yığın bilimsel bilgi içinden, bazı önemli mesajlar:

Fiber Paradigması. Yılların birikimi sonucunda uzmanlar, akciğere girerse zararlı olabilecek fiberlerin profilini çıkardı. Bu profile göre fiberin asbest gibi zararlı olması için, şu 3 kritere uygun olması gerekiyor:

• Çap: Fiberlerin üst solunum yollarına ve oksijenin akciğere geçtiği bölgeye kadar ulaşacak kadar ince olması. Fiberlerin uzunluklarının o kadar da bir önemi yok.
• Uzunluk: Fiberler fagositoz gibi mekanizmalardan etkilenmeyecek kadar uzun olmalı.  Bu durumda akciğerler artık kendilerini makrofajlar yardımı ile savunamıyor.
• Biodayanıklılık: Fiberler akciğerlerde bozunmadan on yıllarca kalabilmeli.

Zararlılığı belirleyen başka faktörler de olabilir, ama en önemli 3′ü bu.

Yüksek En Boy Oranına Sahip Nanoparçacıklar ve Fiber Paradigması. Yukarıda belirlenen özelliklere sahip nanomalzemeler bulunmuş, rapor bunlara daha dikkatli yaklaşmamız gerektiği söylüyor.

Muhtemel asbest benzeri tehlikelere sahip malzemeleri belirleme. Raporun yazarları tehlikeli nanomalzemeleri belirlemek için bir de grafik hazırlamış.

Araştırma öncelikleri: Son olarak da, yazarlar bu konuda gelişme yapılabilmesi için üzerine gidilmesi gereken konuları listeliyor.

• Zarar Belirlemesi: Nanoparçacıkların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin karakterizasyonu, özellikle fiber uzunlukları ve dayanıklıkları.
• Doz-Tepki Değerlendirilmesi: Organizma içinde ve dışında nanoparçacıkların yan etkileri.
• Maruz Kalma Değerlendirilmesi: Maddelere maruz kalma yolları ve onların değerlendirilmesi.
• Risk Değerlendirmesi: Nanoparçacıkların sağlık risklerinin belirlenmesi.

Bana göre, bunlar çok basit.  Karbon nanotüpler o kadar muhteşem maddeler ki, ticarileştirmemek mümkün değil. Ama aynı zamanda, uyarıcı işaretleri dikkate almadan adım atmak da, ahlaki olarak kınanan bir hareket olur. İlk zarar belirtilerinin söylenmesi üzerinden 17 yıl geçmesine rağmen hâlâ cevabı bulmak yerine soruyu oluşturmakla uğraştığımıza çok şaşırıyorum.

İnşallah bu durum değişecek ve bu rapor da bu konuda öncü olacak. Bu gerçekten gerekli.