Nanoteknoloji ve Görüntüleme Sistemleri

Nanoteknoloji en az bir boyutu 1-100 nm olan materyaller, cihazlar ve sistemler ile ilgilenir. Amacı uygulama alanına göre var olanlardan çok daha farklı ve üstün elektriksel, mekanik, kimyasal, ısıl, optik, vb. özelliklere sahip materyaller ve sistemler geliştirmektedir. Nanometre ölçeğindeki cihazlar ile birçok fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayın tanımlanabileceği, kontrolün çok daha iyi yapılabileceği ve sorunlar için çok küçük boyutlu ve etkin sistemlerin geliştirilebileceği düşünülmektedir.

Elektronikten tıbba kadar çok geniş bir alanda uygulama olanağı bulan nanoteknolojinin en önemli ürünleri arasında, taramalı tünelleme mikroskobu (“Scanning Electron Microscope”, STM) ve atomik kuvvet mikroskobu (“Atomic Force Microscopy”, AFM) yer almaktadır.

Kuantum tünelleme teorisine göre, bir elektronun potansiyel enerjisi kendi toplam enerjisini aştığı zaman klasik fiziğe göre imkansız olan bölgeleri delip geçebilir (“tünelleme”). Bu kavrama dayanan görüntüleme amaçlı ilk STM sistemi 1980li yılların başında IBM Zürih laboratuarlarında geliştirilmiştir, ve yukarıda da söz edildiği gibi bu başarı geliştiren araştırıcılara Nobel Ödülünü getirmiştir.

		başa dön

Görüntüleme amaçlı kullanılan bir STM sistemi Angstom düzeyinde hareketler yapabilen mekanik, ve hareketleri kontrol eden ve verileri toplayıp işleyerek görüntü elde edilmesini sağlayan elektronik ve yazılım birimlerinden oluşur. Sistemde atomik boyutta sivri uca sahip bir iğne (örneğin Pt/Ir) taranacak yüzeye yaklaştırılır, (elektronların tünelleyebilmesi için bu uzaklığın 10 Å dan küçük olması gerekir), ve iğneye gerilim uygulanır (gerilimin değeri genellikle mV – 3V aralığındadır), ve elektron akımı (oluşan tünelleme akım şiddeti genellikle
pA – nA aralığındadır) sağlanır. Burada tünelenen elektron sayısının (akımın) iğnenin örneğe uzaklığı ile orantılı olduğu not edilmelidir. İğnenin görüntülenecek yüzeyde dolaştırılması sırasında akım şiddeti değişimleri elektriksel olarak algılanıp, bilgisayara yollanır, uygun bir yazılımla bu veriler değerlendirilerek yüzeyin üç boyutlu görüntüsü elde edilir.

AFM, STM’den sonra, 1986’da Binnig, Quate ve Gerber in IBM laboratuarlarındaki çalışmaları sırasında geliştirilen ve yine atomik boyutta sivri bir iğnenin yüzeyi taraması ilkesine dayanan bir görüntüleme yöntemidir. Angtrom düzeyinden 100 mikrona kadar yüzey topografisini görüntülemek mümkündür. STM’den farklı olarak, AFM’de yüzeyi tarayan iğne ile yüzeydeki atomların (moleküllerin) arasında oluşan kuvvetlerin ölçülmesi söz konusudur.

AFM iğnesi örnek üzerinde istenilen tarama hızında hareket ettirilir ve iğne-örnek arasındaki itme ve çekme kuvvetlerini (piko-newton hassasiyetinde) ölçülür. İğne “kantilever” denilen bir yaya tutturulmuştur. STM den farklı olarak, bu sistemde mevcut bir lazer kaynağından gelen ışın, kantileverden yansır ve pozisyona duyarlı fotodetektöre gelir. Bu kantileverden gelen yükseklik bilgisi bilgisayara gönderilip x ve y pozisyonuna karşı kaydedilir. Uygun bir yazılım programında değerlendirilen bu bilgilerden, STM’de olduğu gibi 3 boyutlu topografik görüntüler elde edilir.

Makro dünyamız ile nano hatta moleküler dünya arasında kurulacak bu iletişimin insan hayatına getirebileceği muhteşem gelişmeyi hayal etmenin dahi çok eğlenceli ve heyacan verici olduğu açıktır.

Referans: Pişkin E, Koçum C, Çubukçu E, Ülgen D. Hacettepe Üniversitesi. Kimya Mühendisliği Bölümü ve Biyomühendislik ABD. Beytepe, 06532 Ankara