Thomson Reuters 2008′den beri yayınlanan makalelerin hangi kurum tarafından desteklediği bilgisini de tutmaya başlamış. Nature dergisi 2008-2009 yayınlanan nanoteknoloji konulu makalelerin %67′sinde (61.300 tane) bu bilgiye ulaşıp bir sıralama yapmış.

• Çin Ulusal Temel Bilim Kurumu – 10200 makale
• ABD Ulusal Bilim Kurumu (NSF) – 6700 makale
• Çin Bilim ve Teknoloji Bakanlığı – 4700 makale
• Avrupa Birliği (Ar-Ge programları) – 3500 makale
• ABD Sağlık ve İnsan Servisleri (Ulusal Sağlık Enstitüsü dahil) – 3100 makale
• Çin Eğitim Bakanlığı – 3100 makale
• ABD Enerji Bakanlığı – 3000 makale
• ABD Savunma Bakanlığı – 2600 makale
• Almanya Araştırma Kurumu – 2600 makale
• Japonya Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı – 2400 makale

Çin daha fazla makale yayınlamasına rağmen, ABD ve AB kadar kaliteli yayın yapmadığı anlaşılmış. İsrail, Hollanda ve İsviçre kaliteli nanoteknoloji araştırması yapan küçük ülkelerden.

Makaleden bir ilginç ayrıntı da şu. Ağustos 2008 – Temmuz 2009 arası en az 250 tane nanoteknoloji projesini destekleyen ülkelerin diğer ülkelerle yaptığı işbirliği gösteren bir grafik var. Grafiğe göre kendi kaynakları ile nanoteknoloji araştırması yapan ülkeler: Arjantin, Çek Cumhuriyeti, İran ve Türkiye.

Kaynak: 1

Pazartesi günü (26 Ekim 2009) HP Laboratuvarları’ndan Stanley Williams Bilkent’te memristörlerle ilgili bir sunum yaptı. Williams geçen hafta Bilkent’in 18-23 Ekim arasında Antalya’da düzenlediği 13. Avrupa Yüzey ve Arayüzey Konferansı dolayısıyla Türkiye’ye gelmiş, ve Kimya bölümü başkanı Şefik Süzer‘in davetini kırmayarak bir de Bilkent’te sunum yapmayı kabul etmiş.

Sunumunda Stanley memristörün ne olduğunu, tarihçesini, kendisinin memristörleri nasıl bulduğunu, gelecekteki uygulamalardan bahsetti.

Bu çalışma için 100′den fazla kişi çeşitli zamanlarda katkıda bulunmuş. Türkiye’den de katılanlar olmuş, Aykutlu Dâna gibi.

Williams’a göre memristörler 7-8 yıl içerisinde hayatımızı bayağı değiştirecek: manyetik sabit diskler, CD’ler, DVD’ler, flaş diskler, DRAM’ler, SRAM’ler artık yok olacak. Ortalık memristörlü devrelerle dolacak.

Memristörden ilk bahseden ve ismini koyan Leon Chua adlı bir matematikçi. Elektronikçilerin bir devre ile ilgili 4 şeyle (yük, akım, gerilim, akı) ilgilendiklerini görüyor, ve yük ile akı arasında henüz bir ilişkinin kurulmadığını fark ediyor. Bu ilişkiyi anlatan bir denklem kuruyor fakat gerçek hayatta böyle bir alet o zamanlar olmadığı için düşüncesini ispatlayamıyor. Chua’nın 1971′de yazdığı makaleye şuradan ulaşabilirsiniz.

Bu denklemdeki ilginç şey hayali aletin sıfır enerji ile bir bilgi tutuyor olması. (Üstteki resimde sağ üstte 8 şeklinde bir grafik var,o grafik (0,0) noktasından geçiyor gördüğünüz gibi, işte sıfır enerji ile bilgi tuttuğunu buradan anlıyoruz.)

İşin ilginci memristör eskiden 40 yıldır vardı fakat insanlar bilmiyordu. Stanley Williams’ın memristör ürettiği TiO₂ malzemesinde yıllarca bu etki farklı araştrımacılar tarafından gözlemlendi fakat herkes kendine göre bir sebep buldu.

Peki insanlar neden memristör özelliğini fark edemedi? Araştrımaların devamında fark etmişler ki, memristörlük özelliği ancak nanoseviyede etkili olmaya başlıyor. Milimetre seviyelerdinde memristörün etkisi fark edilemeyecek kadar az. Diğer iki neden ise yanlış ölçüm alma ve yanlış matematiksel denklemleri kullanmak.

Artık nanoboyutta malzemelerin farklı davrandığına bir örnek daha elimize geçmiş bulunuyor, memristör özelliği. Şu ana kadar hep nanoboyutta gümüşün antimikrobiyel olması ve nanoboyutta altının tepkimeye giren bir malzeme olduğu örnek verilirdi.

Stanley şöyle bir espri de yaptı: memristörü üniversite birinci sınıf elektroniği ile gösterdim ve Nature’da makalem yayınlandı.

Memristörün 1. sınıf elektronik bilgisi ile ispatlanması. (Resmin üstüne tıklayıp yazıları daha net görebilirsiniz.)

HP 3 yıl içerisinde ilk ticari ürünü çıkarmayı planlıyor, gelecek hafta laboratuvarda seri üretim denemeleri başlayacak.

Memristöre yazım süresi nanosaniye mertebelerinde ve yazılan bitin çok uzun süre (milyonlarca yıl) memristörün üstünde kaldığı tahmin ediliyor. Bitin milyon yıldan daha az sürede kaybolduğunu gösteren bir deney sonucu çıkmamış daha. Şu an üretilen memristörlerin büyüklüğü 5nm x 30 nm.

Gelecekteki elektronik devreler hep nanoelektronik olacağı için, bundan sonra artık devrelermizde memristör etkisini de göz önüne almalıyız ya da memristör özelliğini nasıl yok edeceğimizi araştırmalıyız.

Stanley Williams kendi laboratuvarında ilk melez CMOS çipini üretmiş. Memristörler bu çipe ne kzanadırmış diyecek olursanız, onlarca tranzistörün yaptığı işi bir memristöre yaptırmışlar. Böylece aynı alanı kullanarak daha hızlı çip üretmiş oluyorsunuz.

Stanley Williams’ın konferansın sonundaki cümleleri bilimsel araştırma yapma metodolojimizin artık değişmesigerektiği çok iyi anlatıyordu:

TiO2′yi yıllarca birçok bilim dalı araştırdı: jeolojiciler, seramikçiler, yarı iletkenciler, kimyacılar, vs. Hepsi de bu malzemenin farklı özelliklerini buldu. Bu bilim dalları arasında iletişim olmadığı için yapboz parçaları bir araya gelememişti. Ben yaklaşık bir yılımı tüm bu farklı bilim dallarındaki TiO2 ile ilgili makalelerini okuyarak geçirdim ve yapbozun parçalarını birleştirmeyi başardım.

Bu gerçekten çok önemli bir tavsiye. Yeni şeyleri üretmenin tek yolu artık kendi alanına odaklanmak değil. Birçok bilime serpilmiş parçaları birleştirerek de yeni şeyler üretiliyor ve eminim birleştirilecek çok şey var.

Memristörlerle ilgili ekstra okuma parçaları: 1 , 2

28 Eylül 1989 nanoteknoloji tarihi açısından önemli tarih. IBM bilim adamlarından Don Eigler bu tarihte bir atomu hareket ettirmeyi başarmış. 11 Kasım 1989‘da da 35 ksenon atomu ile IBM logosunu oluşturup medyada duyurduktan sonra, nanoteknoloji artık pratik olarak da başlamış bulunuyordu.

Daha önceleri Feynman’ın “Aşağıda Daha Çok Yer Var” konuşması ile teorik olarak mümkün olduğu ispatlanan nanoteknoloji, Eigler’in bu keşfinden sonra artık herkesi heyecanlandırıyor, ve bu konularda araştırmaya yapmaya sevk ediyordu. Nanoteknoloji 1.0 diye adlandırabileceğimiz bu dönemde araştırmacılar çoğunlukla nanoboyuttaki malzemeleri keşfedip, özelliklerini öğrenmekle uğraştılar: nanotüpler, fullerenler, nanoteller, kuantum noktacıklar. Bu değişimi sağladığı için, Eigler’in bu araştırması hâlen nanoteknoloji alanındaki en büyük buluş olarak görülüyor. [Ek okuma parçaları: Nanoteknolojinin tarihçesi ve gelişim basamakları.]

Eigler o gün yaşadıklarını Eigler CNET’e anlatmış:

Taramalı Tünelleme Mikroskobu’nda o ilk atomu hareket ettirdiğimde, “ürkmüştüm”. Sistemi hareketi yapmak üzere programladıktan sonra, ekran boşaldı. Nefesimi tuttum. Atomu hareket ederken göremiyorsunuz. Hareket bitiyor, bakıyorsunuz, “Tamam işte yerinde.” diyebiliyorsunuz. Gerçekten çalıştığını anlayabilmek için, atomu ileri ve geri 3 kere hareket ettirdim.

O zamanlar IBM logosunu oluşturmak 22 saat sürmüş, şimdi ise sadece 15 dakika.

Eigler’in şimdiki amacı mantık, depolama, veri transferini elektronlar hareket etmeden yapmak. Böylece günümüzdeki sistemlerde görülen elektronların hareketinden doğan sıcaklığı soğutma işlemini kaldırmayı amaçlıyor.

Don Eigler Nature dergisinin 5 Nisan 1990‘da yayınlanan ve kapak olan makalesinin sonuda şöyle bir cümle yer alıyor: “Bu çalışma IBM Araştırma Biriminin sabrı ve vizyonu olmasaydı, ortaya çıkmazdı.” Gerçekten de, vizyon sahibi olmanın ne kadar önemli olduğunu bir kez daha anlıyoruz. Atomu hareket ettirmek isteyen bir insanın çalışmalarını engellemeyen IBM bugün de birçok başarı imza atıyor. Bir kısmını ben de blog da paylaşmaya çalışmıştım. Düşünün IBM o günlerde böyle çalışma yapmaya izin vermeseydi, nanoteknolojiyi pratiğe dökmemiz mümkün olacak mıydı?

Kaynak: 1 ,  2

Günümüzde nanoteknoloji araştırmalarının büyük bir çoğunluğunu oluşturan karbon nanotüpleri ayrıştırmak için DNA da kullanılabiliyor.

Her zaman bahsettiğimiz inanılmaz özelliklere sahip karbon nanotüpler dünyada birçok araştırmacı tarafından elektronikte, tıpta, enerji elde etmede, uzay asansörü inşasında vs. uygulamaya geçirilmeye çalışılıyor. Fakat bu konudaki en önemli engel, istediğiniz özellikte karbon nanotüpün seri üretilmesi. Günümüzde kullanılan makul maliyete sahip üretim yöntemleri sonucunda elinize birçok farklı karbon nanotüp geçiyor. Bu karbon nanotüp yığınından istediklerinizi hızlıca seçebilmeniz önemli hale geliyor. Bu seçme işlemini hızlı yapmanız da pek bir şey değiştirmiyor aslında, elinizde gerektiğinden daha az karbon nanotüp ve bir sürü de gereksiz karbon nanotüp oluyor. Neyse, şimdilik ayrıştırma aşamasını halletmeye çalışıyor bilim adamları.

2003 yılında MIT; DuPont ve University of Illinois at Urbana-Champaign üniversitesinden araştımacılar tek DNA ipliği ve anyon-değişim kromatografisi ile metalik karbon nanotüplerle yarı iletken karbon nanotüpleri ayrıştırma metodu geliştirmişler.

Geçtiğimiz günlerde araştırmacılar kendi yöntemlerini iyileştirdiklerini Nature dergisinin 9 Temmuz 2009 sayısında duyurdular. 20 DNA dizini kullanarak farklı çeşitte karbon nanotüpü birbirinden ayırabiliyorlar. Araştırmacılar süreç sayesinde yarı iletken araştırmalarında kullanılan 12 ana karbon nanotüpünü araştırma yapacak miktarda ayrıştırabildiklerini söylüyor.

Peki DNA karbon nanotüp çeşitlerini nasıl ayırt ediyor? DuPont-Lehigh araştırmacıları bunu DNA’nın bilindik şekli olan çift sarmal yapısı dışında bir yapı sayesinde elde ettiğini düşünüyor. DNA’nın çift sarmal yapılı hali alfa burgusu olarak adlandırılıyor. Fakat araştırmacılara göre DNA beta-barrel yapısına bürünüyor ve böylece moleküllerin birbirini tanıdığı gibi nanotüpleri de tanımış oluyor. Beta-barrel hücre zarında çokça bulunan bir protein çeşidi. Araştırmacıların ellerinde somut bir kanıt yok, sadece gözlemlerine göre tahminde bulunmuşlar.

Makaleye şuradan ulaşabilirsiniz. (Abonelik gerektiriyor, üniversite kampüsünde iseniz ulaşabilirsiniz.)

Araştırmacılar DNA’nın karbon nanotüpü bu şekilde sardığını düşünüyor.

Yukarıdaki modele yandan bakılınca.

Kaynak: 1

Resimler Tu, Manohar, Jahota, Zheng’in “DNA sequence motifs for structure-specific recognition and separation of carbon nanotubes” makalesinden alınmıştır. doi:10.1038/nature08116

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.