Nanoteknoloji

Atom Boyutunda Devrim Araştırmacılar nano teknolojisinden sahiden mucizevi şeyler bekliyor: Atomlar dünyasına müdahale, tüm alanlarda görkemli uygulamalar vaat ediyor.

stümüze doğru gelen şey, uzak bir galaksiden gelen bir uzay gemisini andırıyor. Sessizce, tuhaf, gerçek ol mayan ve sayısız derinliklerle bezenmiş bir manzara üzerinden hareket ediyor. "Yarının sabitdisk teknolojisi Mil-lipede..." diyerek, geleceğe bakışı olanaklı kılan bilgisayar si-mülasyonundan beklediklerini dile getiriyor Zürih'teki IBM araştırma laboratuvarında fizikçi olarak çalışan Gerd Bin-nig. Binnig'in açıklamasına göre, Millipede, manyetikleştirici yazma ve okuma kafalarına gerek kalmaksızın tümüyle yeni sabitdiskleri olanaklı kılacak. IBM delikli kartları yeniden keşfediyor, ancak bu kez atomlar ölçeğinde... Zürih'teki la-boratuvarda bu işlem şimdilik oldukça iyi bir biçimde başa-rılıyor. Veri taşıyıcı özel bir polimer malzemeden ibaret, tek tek bİt'ler ise üzerinde 1.024 adet tek tek kumanda edilebilir

uçların bulunduğu bir 3x3 mrn boyutundaki kafa ile yazılıyor. Millipede, tram güç mikroskobunda da olan aynı ilkeye göre çalışıyor: Ancak orada yalnızca tek bir iğne ucu zemini yokluyor ve atom atom işliyor. Yeni sabitdiskin teknolojik kökenini Gerd Binnig çok yakından tanıyor. Tram güç mikroskobunu ve öncülü tram tünel mikroskobunu kendisi icat etmiş. Bu eserleri sayesinde, o ve meslektaşı Heinrich Bohrer, 1986 Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırılmışlar. Bu mikroskoptan bilimde devrim yaratması bekleniyordu: Onunla tek tek atomları görmek ilk kez olanaklı olmuştu. Bu tip hassas Ölçümler için araştırmacılar kuvantum fiziği efektlerinden yararlanıyordu: Mikroskobun yoklama ucu, zemine birkaç atorn uzunluğuna kadar yaklaştığında, klasik anlamda bir elektrik kontağı olmamasına rağmen, uygulanan gerilimle bir akım geçiyor. Akım akışı böylece mikroskoba adını veren tünel efekti adlı bir efekti olanaklı kılıyor. Bundan sonra bir parçacığın aslında yeteri kadar enerjiye sahip olmadığı halde bir bariyeri aşabilmesi, bu bariyerden "tünel"den geçer gibi geçmesi olanaklı bir hal alıyor. Ölçülen akımlara bakılarak İğne ucu ile zemin arasındaki mesafe ortaya çıkarılıyor. Zeminin tram biçiminde yoklanması da yüzeyinin atom boyutlarında kesinlikli bir kopyasına giden yolu açıyor.

CH1P l HAZİRAN 2002

				Nanoteknoloji tram mikroskoplarıyla start almıştı. Bu teknoloji boyutları l ila 100 nanometre arasında yer alan parçacıkların işlenmesi ile uğraşıyor. Bir nanometre bir milimetrenin milyonda biri. Bir nano parçacık bir futbol topuyla karşılaştırıldığında, futbol topunun yerküreye oram gibi bir sonuç ortaya çıkıyor. Bilimciler ilk kez bu kadar küçük parçacıkları doğrudan görebildikten yalnızca birkaç yıl sonra, atomları ve molekülleri tasavvurlarına göre manipule etmeyi ve tümüyle yeni özelliklere sahip malzemeler yaratmayı başarmış bulunuyor. Böylece, örneğin çiziğe dayanıklı otomobil cilası oluşturulmuş. Bir tıkla basitçe atomların yerini değiştirmek Don Eigler atomların efendisi. Fizik öğreniminden sonra çalışmalarını yüzeyler ve nano yapılar üzerinde yoğunlaştıran bu bilimci de aynı şekilde bir IBM araştırma laboratuvarında çalışıyor, ancak onun faaliyet gösterdiği laboratuvar Kaliforniya Almaden'deki Silikon Vadisi'nde bulunuyor. Bu bilimci bir tram tünel mikroskobu yardımıyla ilk kez tek tek atomların yerini değiştirmeyi ve istediği yerlere yerleştirmeyi başarmış bulunuyor. "Bu çocuk oyuncağı" diyor gülerek Eigler ve ziyaretçilerinin de PC'sinin başına geçmesine izin veriyor. Bilgisayar yan laboratuvardaki sarsıntısızca yerleştirilmiş ve aşın eksi derecelerde soğutulmuş mikroskopla bağlantılı. Fareyle oldukça basit bir biçimde monitörde kopyalan görünen atomlar sürükle&bırak üzerinden tutulabiliyor ve başka türlü düzenlenebiliyor. Eigler ziyaretçilerinin atomlarla neler yaptıklarını dikkatle gözlüyor. Bunları burada gerçekten çocuklar bile deneyebilir. Eigler'in kendi oyun dürtüsü hayranlık uyandıran bilimsel bir deney için köken teşkil ediyor (sağdaki grafiğe bakınız). Eigier bir bakır yüzey üzerinde kapalı bir elips oluşturacak şekilde kobalt atomları düzenlemiş. Bilimci daha sonra elipsin iki odak noktasından birine başka bir kobalt atomu daha yerleştirdiğinde, sanki ikinci (boş) odak noktasında da aynı şekilde bir atom yarmışçasına bir sinyal ölçmüş. Tünel efektinde olduğu gibi burada da söz konusu olan, gündelik deneyimlerimizle zorlukla bağdaştırabilece-ğimiz bir kuvantum fiziği olayı. Nasıl oluyor da var olmayan bir şey yoklandığında bir sinyal veriyor? Bu olayı fısıltı efekti ile anlaşılır kılmak mümkün: Özel bir mimariye sahip mekanlarda yakın çevredeki sessiz bir konuşma anlaşılır bir biçimde işitilemezken, odanın öteki ucundaki bir kişinin fısıltısı işitilebiliyor. Burada duvarlar ve tavanlar ses dalgalarım planlı bir biçimde yansıtacak şekilde tasarlanmış oluyor. Atomlar kuvantum düzleminde ses dalgaları gibi davrana-bildikleri içindir ki, elips deneyinde araştırmacılar boş odak noktasında öteki odak noktasından tabiri caizse kobalt atomlarının fısıltısını kaydediyor. Eigler'in değerlendirmesine göre bu efekt günün birinde nano dünyasında bilgi transferini olanaklı kılmaya hizmet edecek. İsviçre titizliği ve Amerikan malzemeleri Zürih ve Almaden'deki IBM araştırmacıları sürekli karşılıklı paslaşıp duruyorlar. Tram mikroskoplarıyla Kaliforniyalılar isviçre'den çok yararlı araçlar elde etmiş bulunuyor. Buna karşılık şimdi Binnig ve meslektaşlarının bit'lerini zımbaladıkları plastik plakalar Silicon Valley kökenli. "Bunu bir spa-
								getti dağı olarak tasavvur edin" diyerek Binnig, sabitdisk deneylerini anlaşılır kılmaya çabalıyor, "içine bir delik açıyorsunuz, tümünü donduruyorsunuz, delik kalıyor. Çözülürken spagettiler yeniden çekiyor ve delik yok oluyor." Ancak Millipede'de hiçbir şey dondurulmuyor. Millipede kafasının uçları polimerlere yalnızca hafifçe temas ediyor. Ucun ısıtılması bir çökme etkisi yaratıyor ve bir deiik oluşuyor. Verilerin silinmesi de aynı şekilde malzemenin yeniden erimesinin eşlik ettiği kısa bir ısı darbesi ile gerçekleşiyor. Binnig'e göre önce yalnızca az sayıda uca sahip yazma ve okuma kafaları piyasaya sürülebilir şekilde olgunlaşacak. Bunİar kapasitesi yaklaşık 10 GByte'lık sabİtdisklere sahip olacak cep telefonu ve PDA'lar gibi küçük mobil cihazlar için düşünülmüş. Yeni teknolojinin potansiyelinin tümünden verilerin diskleri üzerinde geleneksel teknikle olduğundan 20 kat daha yoğun depolanacağı sunucular yararlanacak. Burun farkıyla önde: Kantilever ile yoklamak Millipede projesi tram mikroskoplarının tek varisi değil. Başka bir araştırma alanında Kantilever adı da verilen mik-
									CHIP l HAZİRAN 2002

Nanoteknolojinin hangi yönü sîzde kişisel olarak en fazla hayranlık uyandırıyor? Binnig: Nanoislemcİ. Bu önce atom boyutlarında yalnızca 20 ila 30 şalterden ibaret ve tümüyle saf mekanik görevleri yerine getiren tümüyle basit yapılı bir bilgisayar. Bunu başarmak ileriye doğru atılmış büyük biradım olurdu. Bunun üzerinde mi çalışıyorsunuz? Binnig: Başka şeylerin yanısıra evet. Birçok şeyi aynı anda yapıyorum. İlerleme sağladığım takdirde çalışmayı sürdürüyorum, aksi takdirde sorunu bîr süre bîr kenara bırakıyor ve fırsat buldukça bununla yeniden İlgileniyorum. Basit bir hesap makinesi iki İla üç yıl içinde bile tamamlanmısolabilir. Bili Joy gibi eleştirmenler şimdiden nanoteknolojinin sonuçlarına dair korkularını dile getiriyor. Bu tip uyarıları ne derece ciddiye alıyorsunuz? Binnig: Kuşkucu seslere her halükarda kulak kabartmak gerekiyor. Ama Bili Joy söz konusu olduğunda, söyleyecek hiçbir şeyi olmayan biri kendini Önemsetmek istiyor. Nano parçacıkların kendi kendini yeniden üretmesi başarılsa, ki bunun sonuçları hakkında uyanlarda bulunuluyor, bu İleriye doğru atılmış büyük bir bilimsel adım olurdu. O zaman tabii sonuçlar üzerinde düşünmek zorunda kalınırdı. Ben kendim DNS üzerinde de incelemeler yaptım, ancak kodun şifresini çözmeyi başaramadım. O zamanlar notlarımı "Frankenstein" baslığı altında topluyordum. Bugün ise gü-lümsernekle yetiniyorum, çünkü DNS İle yapılan araştırmalar normal bîr hal almış bulunuyor.

»Zor olan: Atomlar sistem olarak işleyebilmeli. << Gerd Binnİg, IBM Zürih Tram tüneli mikroskobunun mucidi

CHIP: Sizi nanoteknolojinin atası olarak niteleyebilir miyiz? Binnİg: Bunda muhakkak haklı bîr yan var. Tabii ki zaten durmadan küçülen mikroelektronik vardı ve nano yapıları görünür kılan yöntemler vardı. Ama biz ilk kez atomları, yani temel yapıtaşlarını görebilenler olduk. Bugün kendinizi hangi görevlere adıyorsunuz?. Binnİg: Su anda tam da nanobilimden gerçek nanoteknolojiye giden adımı atmak üzereyim. Millipede ile birlikte biz şimdi gerçek bir ürün, geleceğin sabit-diskini geliştiriyoruz. Siz hala IBM için temel araştırmalar mı yürütüyorsunuz, yoksa daha ziyade ürün mü geliştiriyorsunuz? Binnig: Ben su katılmamış bir ürün geliştirici değilim, ama pazarlama yöneticileri ile de çalışarak bu yönde bazı karakter hatları edindim. Ama haia yüzde 50 temeller üzerine düşünüyorum, gerisini uygulamalara adıyorum. Nanoteknolojî alanında bilimin karşısına çıkan en büyük zorluklar neler? Binnig: En büyük zorluk sistemler dahî-

linde düşünmek! Bu henüz başlangıç aşamasında. Otomobillerde ve bilgisayarlarda daha karmaşık sistemlere hakim olmanın ne derece zor olduğunu görüyoruz. Simdi önümüzde duran görev, atomları bir sistem olarak çalışacak şekilde birbiriyle kombine etmek. Nano parçacıklardan İbaret bir transistor oluşturmak pek zor değil. Sistemlerle, örneğin kuvantum bilgisayarla olduğu gibi çalışmak ise çetin bir hal alıyor. Bu bilgisayarı ne zaman göreceğiz? Binnig; Çoğunlukla çok kötümser olduğum için, şimdiye kadar gerçekleşmeyen sayısız öngörüde bulundum. Yani belki de bu bilgisayar çok daha önce, mümkündür ki on yıl içinde ortaya çıkar. Nanoteknoloji bize daha başka neler getirecek? Binnig: Öncelikle daha ucuz, daha zeki sistemler, atom tabanlı bilişim. Tüm süreçlerin kendiliğinden islediği bedenimizde olduğu gibi, hesaplama performansı bir ağ üzerinden birbiriyle İletişim kuran çevremizdeki küçük cihazlara dağıtılmış olacak. Bu olayın tümü tahminen bir dil arabirimi üzerinden yönetilecek.

laştırılabilir. Her yanda tümüyle tuhaf şeyler üzerinde kılı kırk yararak çalışılıyor. Geliştirilen şeyler arasında çiziğe dayanıklı mercekler, artık buğulanmayan gözlükler ya da sileceğe artık hemen hemen hiç ihtiyaç duymayan otomobil camları bulunuyor, imalathanenin bir köşesinde mühendisler ısıtıcılar için ateşleyicileri kızdırıyorlar: Nano katmanlı keramikten yapılmış bu ürün geleneksel ateşleyicilerde olduğundan daha iyi ve daha hızlı ateşleyecek, daha uzun Ömürlü olacak ve şimdiye kadar gerçekleştirilen ateşleme kıvılcımından farklı olarak sessizce çalışacak. Birkaç mıetre ileride öteki firma çalışanları, yeni geliştirilmiş bir nano mumun özelliklerini denemek için kayaklarım mumluyor. Laboratuvarların da bulunduğu imalathanenin öteki ucunda, etki derecesi yalnızca yeni tür bir iç kaplama ile iyileştirilen bir solar (güneş) panelinin >

roskobun minik çeşitleri bîr uç ile değil, sensörler ile donatılmış. Buna uygun malzemeler yerleşirse, Kantilever bükülüyor ve bir elektrik sinyaline yol açıyor. Bunu örneğin tıpta olduğu gibi analiz ve teşhis amaçları İçin uygulamak olanaklı. Birden fazla bu tip parmak, benzeri Kantilever'den ibaret bir minik yapıtaşı, farklı atomları tanıyan yapay burun olarak bile gündeme gelebilir. Temiz gelecek: Nano sayesinde temizliğe paydos Yol gösteren fikirlerden çok yönlü olarak yararlanma çabası, nanoteknolojiyİ karakterize ediyor. Almanya'da da hareketli bir araştırma kesimi yerleşik bir hal almış bulunuyor. Bilim ve endüstri el ele çalışıyor. Saarbrücken'daki Nanogate firmasının imalathanelerinde yapılacak bir gezinti James Bond'un dahiyane donatıcısı Q'yu ziyaret etmesi ile karşı-

CHIP | HAZİRAN 2002

Sorun nanoteknolojiden sonra da hayatta kalıp kalmayacağımızdan ibaret<<

Nanoteknolojiye şimdiye kadar Bill Joy'un "Geleceğin neden bize ihtiyacı yok" makale- sinde olduğu kadar saldırılmamıştı. Metin iki yıl Önce "Wired" dergisindeyayınlandığında, nano tartışmaları da başlamış oldu. Bunda şa- şılacak bir yan yok: J oy gerçi fantastik ve yeni nano dünyasına değer veriyor, öte yandan bu- nun kontrolden çıkacağı ve insanlığın sonunu getireceği korkusunu taşıyor. Pek de sempatik olmayan bu ütopya karsısında "çok tehlikeli teknolojilerin geliştirilmesinden feragat etme- yi" öneriyor. Bilimkurgu mu? "Darvvin AG" ki- tabını okuyun (yayınlayan Frank Schirrmac- her) ve siz karar verin.

tırma tesisi ekleniyor. Üniversite çevrelerinden gelen gelişmeler tipik olarak spin-off (yan destek) etkisi yapıyor. "Yalnızca araştırma -ve birkaç örnek laboratuvar yeterli değil, bizim hedefimiz piyasa idi" şeklinde firmasının kuruluşunu yorumluyor kimyacı Rüdiger Nass. Partneri Gerhard Jonschker gelecek beş yıl içinde elektronik, telekomünikasyon ve biyoteknoloji alanlarında nanoteknoloji için iyi fırsatlar görüyor. Saarland'da her şey özellikle iyi gelişmiş durumda. Çelik ve kömürün çöküşünden sonra yapı itibariyle zayıf bölgeyi canlandırmak amacıyla burada bilişim ve nanoteknoloji özel olarak teşvik ediliyor. Şimdiden Saarland'daıı Alman-ya'daki "Nano-Valley" olarak söz edenler var. Saarbrücken Üniversitesi Deneysel Fizik Enstitüsü'nde artık ıslanmayacak ve böylelikle yosun tutmayacak çatı kiremitleri ve ateşe dayanıklı cam donanımı için temel araştırmalar yürütülüyor. Laboratuvarlardaysa araştırma çok daha ilerlemiş vaziyette: Bilimciler elektronik yapıtaşları için nanoteknolojik çözümler üzerinde çalışıyor. Uzmanlar entegre devrelerin küçültülmesinin bugünkü tempoyla yalnızca yaklaşık on yıl-»

prototipi duruyor. Bunun yanında Nanogate'in göğsünü gererek sergilediği bir nesne var: Bu her bir su damlasının üzerinden kaydığı ve artık hiçbir kirin yapışık kalmadığı lavabo... Nanogate'de deneyleri yapılan neredeyse her şey yüzey kaplamaları ile ilgili. Bunların sırrı kendi kendini örgütleyen nano parçacıklardan ibaret. Endüstri bugün hafif ve stabil ya da şeffaf ve iletken ya da bükülebilir ve çizilmeye karşı dayanıklı gibi önceleri bir araya getirilemez sanılan özellikleri planlı bir biçimde kombine edebilecek durumda. "Biz burada uzay gemisini gözden yitirmeden teflon tava geliştiriyoruz" şeklinde Nanogate'in stratejisini açıklıyor firma sözcüsü Marita Leykauf ve böylelikle teknolojinin tarihinin bir miti ile oynuyor. Bir sonraki adım elektronik yapıtaşları olabilir: Şimdiden LC display'ler için şeffaf iletkenler ve elektrotlarla deneyler yapılıyor. Saarland Nano-Valley'e dönüşüyor Nanogate yalnızca Almanya'da nanoteknoloji ile uğraşan yaklaşık 200 firmadan biri. Buna neredeyse aynı sayıda araş-

Nanogate yöneticisi Dr.Gerhard Jonschker ; yüzey kaplamalarından sonra elektronik, telekomünikasyon ve biyoteknoloji alanlarına • da el atmak istiyor.

VAKUM ODASI: içinde toz parçacıklarının ya da insan sacının devasa boyutlarda yabancı cisimler oluşturduğu, nano boyutlarındaki araştırmalar için doğru ortam.

kadar daha sürebileceği öngörüsünde bulunuyor; o zaman geldiğinde silisyum teknolojisinin yerini yeni çözümler almak zorunda, Nano klasik biçiminde chip'in yerini almaya hazır. Deneysel fizikçi Uwe Hartmann manyetikleştirilmiş nano katmanları manyetik alanlardaki en ufak değişikliklerin farkına varacak şekilde bir chip içine entegre etmiş. Bu ufak şey trafik sensörü olarak yalnızca uçak ve otomobilleri tanımakla kalmıyor, bilakis manyetik alanlarına bakarak tek tek tipleri bile teşhis edebiliyor. Hartmann da firma kurucusu hummasına kapılmış, yeni buluşunu kendisi pazarlamak istiyor. Bu iş için üniversite binasının yanındaki barakalarda küçük bir üretim tesisi düşünüyor ve şu sıralar cep telefonları için serbest konuşma teçhizatları üreten orta çaplı bir elektronik firması ile işbirliği yapmak istiyor. Enstitüsü gerçi Fresenius, IBM ve Siemens büyük çaplı isletmelerle işbirliği yapıyor, ama Hartmann temkinli davranmayı tercih ediyor: "Bunlar sizi komple yutarlar!" Yapay burun henüz gelecek için kurulan bir düş, tıbbın

CHIP l HAZİRAN 2002