haziran gelecek/pro

HHAAZZIIRRLLAAYYAANN :: PPRROOFF.. DDRR.. MMEENNEEMMfifiEE GGÜÜMMÜÜfifiDDEERREELL‹‹OO⁄⁄LLUUHHaacceetttteeppee ÜÜnniivveerrssiitteessii -- KKiimmyyaa MMüühheennddiissllii¤¤ii BBööllüümmüü

HHAAZZ‹‹RRAANN 22000044 SSAAYYIISSIINNIINN ÜÜCCRREETTSS‹‹ZZ EEKK‹‹DD‹‹RR

GELECE⁄‹NMALZEMELER‹GELECE⁄‹N

MALZEMELER‹

Malzeme bilimcilerin üzerinde yo-¤un biçimde çal›flt›klar› kompozitler,giderek artan çeflitleri ve de¤iflik uy-gulamalar› ile günlük yaflant›m›za gir-mifl durumdalar.

Uzun y›llar önce, Güney ve OrtaAmerika'da yaflayan insanlar, modernbasketbol gibi birçok oyunda kullan-d›klar› toplar›, eldiven ve çizme gibi gi-yecekleri üretmek için do¤al kauçu¤ukullan›yorlard› (Do¤al bir polimer olankauçuk, poliizopren olarak da adland›-r›l›r). E¤er kauçuk eldiven giydiyseniz,kauçuktan yap›lan bir ya¤murlu¤ungerçekten de çok rahat olmayaca¤›n›tahmin edebilirsiniz. Bu durumun far-k›na varan Charles Macintosh 19. yüz-y›l›n ortalar›nda parlak bir fikir üretti.‹ki tabaka pamuk dokuma ald› ve bun-lar› do¤al kauçu¤a tutturarak üç taba-kal› bir malzeme haz›rlad›. Bilindi¤i gi-

bi pamuk, do¤al bir polimer olan selü-loz yap›s›ndad›r. Gerçekten de bu fle-kilde iyi bir ya¤murluk üretilmifl oldu.Kauçuk su geçirmezli¤ini sa¤larken,pamuk tabakalar› da ya¤murlu¤u ra-hatl›kla giyilebilecek bir hale getirdi.Ya¤murluk, "kompozit" olarak adlan-d›r›lan malzeme grubuna verilebilecekörneklerden yaln›zca biri ve niçin butür malzemelere ihtiyaç duyuldu¤unuda güzelce aç›kl›yor. Amaç, iki bilefle-nin istenilen özelliklerine sahip birmalzeme elde etmek. Yukar›daki uygu-lamada kauçu¤un suya dirençli olufluile pamu¤un konforluluk özelli¤i bir-lefltirilmifl ve böylece amaca uygun birmalzeme elde edilmifltir.

"Kompozit", farkl› kimyasal yap›da-ki iki yada daha fazla say›daki malze-menin, s›n›rlar›n› ve özelliklerini koru-yarak oluflturdu¤u çok fazl› malzeme

olarak tan›mlanabilir. Dolay›s›yla,kompozit malzeme kendisini olufltu-ran bileflenlerden birinin tek bafl›nasahip olamad›¤› özelliklere sahip olur.

Kompozit malzemeler ile ilgili ilkçal›flmalar 1900'lerin bafl›nda termo-set (›s›yla flekillenmeyen) fenol poli-merlerinin içerisine parçac›k veya lifformunda güçlendirici malzemelerinkonmas›yla bafllam›flt›r. ‹kinci DünyaSavafl› y›llar›nda özellikle ‹ngilizler ta-raf›ndan kompozitlerle ilgili çok say›-da araflt›rma yap›lm›flt›r. ‹kinci DünyaSavafl›'ndan sonra kompozitlerdeki ilkgeliflmeler, cam ile güçlendirilmifl plas-tikler üzerine olmufltur. Günümüzdekompozitler, çok say›daki yeni gelifl-me ve de¤iflik uygulamalar›n vazgeçil-mez malzemesi konumuna gelmifltir.Örne¤in, beton bir kompozit malze-medir. Çimento ve kumdan yap›l›r veço¤unlukla dayan›m›n› artt›rmak içiniçerisine çelik çubuklar kat›l›r.

Kompozit malzemelere olan gerek-sinim, üç temel malzeme grubunun,yani polimer, seramik ve metallerin sa-hip oldu¤u özelliklere bak›larak dahaiyi anlafl›labilir. Polimerler düflük yo-¤unluktad›rlar, dolay›s›yla hafiftirler,kimyasal dirençleri yüksektir, kolay-l›kla ve de¤iflik formlarda flekillendiri-lebilirler. Ancak mekanik dayan›mlar›ve ›s›l kararl›l›klar› düflüktür. Ayr›caçevre koflullar›nda yap›lar›nda bozun-malar, parçalanmalar olabilir. Seramikmalzemeler ise düflük yo¤unlu¤a sa-hiptirler. Is›l kararl›l›klar›n›n yüksekolmas› nedeniyle yüksek s›cakl›¤a da-yan›kl› malzeme olarak (örne¤in atefltu¤lalar›) kullan›l›rlar. En önemli de-zavantajlar›; sert, k›r›lgan olufllar› veflekillendirilmelerinin zorlu¤udur. Me-taller yüksek yo¤unluklar› nedeniylea¤›r malzemelerdir. Yaln›zca magnez-yum, alüminyum ve berilyum bu ko-nuda plastiklerle yar›flabilir. Görüldü-¤ü gibi her s›n›f›n kendine özgü avan-taj ve dezavantajlar› vard›r. Özelliklehafif, fakat dayan›kl› ve yüksek s›cak-l›klarda kullan›labilir malzemelereolan gereksinim sonucunda kompozitmalzemeler ortaya ç›km›flt›r.

2 Haziran 2004B‹L‹M veTEKN‹K

KOMPOZ‹T M

Kompozitlerin Yap›s›

Kompozitler temelde bir sürekli vebir de süreksiz olmak üzere iki fazdanoluflurlar. Sürekli faz "matris", sürek-siz faz ise "güçlendirici" (reinforce-ment) olarak adland›r›l›r. Güçlendiricifaz lif ya da parçac›k halinde olabilir.Lif türünün en yayg›n örnekleri cam,karbon veya polimer lifleridir. Parça-c›k türü için mika ve talk örnek olarakverilebilir. Matris ise ço¤unlukla epok-si reçine, poliester/stiren sistemleriveya poliimid türü bir polimerdir.

Güçlendirici Faz Lifler

Lif ile güçlendirilmifl kompozitlerinen çok kullan›lan› Fiberglass'd›r. Bu-nun matrisi, poliester'in stiren mono-meri ile reaksiyona girmesi sonucuoluflan çapraz-ba¤l› bir reçinedir. Lifle-ri ise camd›r. Poliester-stiren kar›fl›m›önceden belirlenmifl miktardaki camlifin üzerine dökülür, polimerleflme re-aksiyonu sonucu kar›fl›m sertleflir vekompozit malzeme elde edilir. Fiberg-lass, çelikten daha dayan›kl›, fakat çokdaha hafiftir. Fiberglass'daki lifler tekbir yönde dizilmemifl olup, kar›fl›k fle-kilde yerleflmifllerdir. Tüm lifler ayn›yönde dizilerek daha dayan›kl› kom-pozitler haz›rlanabilir. Yönlendirilmifllifler kompozitlere ilginç özellikler ka-tarlar. Kompozit, liflerin yönünde çe-kildiginde çok dayan›kl›d›r, fakat lifyönüne dik bir aç› ile çekildi¤inde okadar dayan›kl› olmad›¤› görülür. Ba-zen kullan›lan malzeme yaln›zca biryönde gerilim alt›nda kalaca¤›ndantek yönde dayan›kl› malzemelere ihti-yaç vard›r. Fakat ço¤u zaman da bir-den fazla yönde dayan›kl› kompozitle-re ihtiyaç duyulur. Bu durum liflerindokunmas›yla sa¤lan›r.

Cam Lifler: Cam lifler, plastik mal-zemeleri güçlendirmek için kullan›lanen yayg›n malzemedir. Bu baflar›s›, uy-gun fiyat› (yaklafl›k olarak plasti¤in-kiyle ayn›) ve istenilen özellikler ara-

s›ndaki mükemmel dengenin sonucu-dur. "Cam" terimi, inorganik camlar›ngenifl bir grubunu ifade etmek içinkullan›l›r. Hepsi, silika (SiO2) temelli-dir, fakat az miktarda di¤er inorganikoksitleri de içerirler. Çok çeflitli bile-flimleri mevcuttur ve her biri bir kodharfiyle gösterilir. Plastiklerde en çokkullan›lan lif, E-cam›d›r. Bileflimi; %54silika, %17.5 kalsiyum oksit, %14 alü-

minyum oksit, %8 bor oksit ve %4.5magnezyum oksit'den oluflur. De¤iflikbileflime ve özelli¤e sahip kar›fl›mlar,de¤iflik reçeteler ile elde edilir. Örne-¤in, S-cam› yüksek dayan›ma sahiptir.C-cam› ise su ve asitlere dirençlidir.

Cam lifler, erimifl cam›n yüksek h›z-larda, çok say›da delik (100-1000 ara-s›) içeren platin bir levha üzerindengeçirilmesiyle elde edilir. Elde edilenuzun lifler yüksek h›zda döndürüle-rek cams› geçifl s›cakl›¤› civar›nda so-¤uyup kat›lafl›rlar. Uygulamalardacam liflerin afla¤›daki iki özelli¤i avan-taj sa¤lar: 1) Cam›n yumuflama nok-tas› yaklafl›k 850°C'd›r, bu neden-le yüksek s›cakl›klara dirençlidir.2)Görünür ›fl›¤a karfl› fleffaft›r, böyle-likle kompozit matrisin rengini al›r.

Cam›n, kolayl›kla k›r›labilirli¤inera¤men bir kuvvetlendirici olarak kul-lan›lmas› garip karfl›lanabilir. Ancakcam, lif haline geldi¤inde farkl› özellikgösterir. Cam lifler dayan›kl› ve esnek-tirler. Cinderella'n›n cam ayakkab›lar›da k›r›lmad›¤›na göre muhtemelencam lifle güçlendirilmifl kompozit mal-zemeydi.

Baz› uygulamalar için cam lifler ye-terince dayan›m sa¤lamayabilirler.Çok fazla gerilim alt›nda kalan baz›malzemeler için uçak parçalar›nda ol-

3Haziran 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

fiekil 1. Kompozit malzemeler iki k›s›mdan oluflur:Matris ve içerisine yerlefltirilmifl güçlendiriciler.

a) lif ile güçlendirilmifl kompozitlerb) parçac›k ile güçlendirilmifl kompozitler

MALZEMELER

du¤u gibi yüksek kaliteli liflere ihti-yaç vard›r. Fiyat önemli olmad›¤›nda,çok pahal› olan karbon yada polimerlifler kullan›labilir.

Karbon Lifler: Karbon lifler genel-likle poliakrilonitril'in (PAN), 1000-1500°C'da karbonlaflt›r›lmas› (havas›zortamda ›s›t›lmas›) ile üretilir. Karbonliflerin uygulamadaki avantajlar›; bo-yutsal aç›dan kararl› olufllar›, kimyasalinertlikleri nedeniyle neme ve pek çokkimyasala direnç göstermeleri veelektriksel/›s›sal iletkenliklerinin yük-sek olufludur. Karbon liflerin kullan›c›aç›s›ndan en önemli dezavantaj› ise si-yah renginden dolay› kompozit rengi-nin istenilen flekilde korunamamas›-d›r. Di¤er bir dezavantaj olarak yük-sek maliyet söylenebilir.

Polimer Lifler: Polimer lifler di¤erpolimerleri güçlendirmek için yeterin-ce sert ve sa¤lam de¤ildirler. Yaln›zcaaramid lifler ve ultra yüksek moleküla¤›rl›kl› polietilen (PE) lifler üstün me-kanik özellikleri nedeniyle di¤erlerin-den ayr›l›rlar. "Aramid", aromatik lifle-rin genel ad›d›r. Ticari ad› ise Kev-lar'd›r. Kevlar kompozitleri yüksek da-yan›m ve sertlikleri, hasar ve yorulmadirençleri nedeniyle çok kullan›l›rlar.Spektra ticari ad›yla piyasada bulunanPE lifler ise karbon liflerden ve Kev-lar'dan daha dayan›kl› ve serttir. Tümlifler mükemmellik aç›s›ndan karfl›lafl-t›r›ld›¤›nda karbon'un en iyi oldu¤u,onu Kevlar'›n ve ard›ndan cam›n izle-di¤i söylenebilir.

Parçac›klarT›p alan›nda kullan›lan kompozit-

lerde güçlendirici olarak çeflitli sera-mik malzemeler tercih edilir. Bununnedeni seramik malzemelerin canl› sis-temlerle uyumlulu¤unun son dereceyüksek olmas›d›r. Fakat seramiklerözellikle metallerle karfl›laflt›r›ld›¤›ndazay›f ve k›r›lgand›rlar. Bu nedenle se-ramiklerin parçac›k formunda kulla-n›mlar› tercih edilir. Kalsiyum fosfatyap›lar, alüminyum ve çinko bazl› fos-fatlar, cam ve cam seramikler örnekolarak verilebilir.

MatrisMatris, kompozitin temelini olufltu-

rur ve lifleri bir arada tutarak kompo-zitin s›k›flmaya karfl› dayan›m›n› artt›-

r›r. Kullan›m yerine ba¤l› olarak farkl›matrisler seçilir. Fazla para harcamakistenmedi¤inde s›radan özelliklere sa-hip ucuz matrisler tercih edilir. Polies-ter/stiren sistemleri bu tür matrislerolup günlük uygulamalar için yeterli-dirler. Örne¤in Chevrolet Corvettemarka otomobil gövdeleri cam liflerlegüçlendirilmifl poliester/stiren kom-pozitlerden haz›rlan›r. Ancak bu türmatrislerin baz› dezavantajlar› damevcuttur. Is›yla sertlefltirildiklerindebüzüflürler, suyu emerler ve s›k›flmadayan›mlar› düflüktür. Ayr›ca kimya-sal dirençleri de iyi de¤ildir.

Bir di¤er ucuz sistem vinil ester re-çinesidir. Vinil ester reçineleri, polies-ter-stiren sistemiyle karfl›laflt›r›ld›¤›n-da baz› avantajlara sahiptir. Çok fazlasu emmezler ve kimyasal dirençleridaha yüksektir. Yap›s›ndaki hidroksilgruplar›ndan dolay› cama kolayl›klaba¤lan›rlar. Cam lifler kullan›ld›¤›ndabu durum avantaj sa¤lar.

Fakat ne vinil ester, ne de doyma-m›fl poliester-stiren sistemi yüksek s›-cakl›k uygulamalar› için uygun de¤il-dir. Yüksek s›cakl›klarda, epoksi reçi-neleri gibi matrisleri kullanmam›z ge-rekir. Bunlar 160°C'a kadar olan s›-cakl›klarda kullan›labilirler. Ancak160°C gerçek anlamda çok yüksek birs›cakl›k de¤ildir. Poliimid'ler yükseks›cakl›¤a daha dirençlidirler, fakat ya-p›lar›n› bozacak kadar su emerler. Po-libenzoksazol s›cakl›¤a dirençli bir di-¤er yap›d›r, ancak ifllenmesi hemenhemen imkans›zd›r. Baz› araflt›rmac›-lar ise tüm hidrokarbonlar› yüksek s›-cakl›¤a dayan›m aç›s›ndan incelemek-tedirler.

Kompozit MalzemelerinKullan›mlar›

Kompozit malzemelerin baflar›l› uy-gulamalar›ndan biri yar›fl kay›klar›, ya-ni kano'lard›r. Kano'nun yap› malze-mesi, epoksi reçinesi içerisine yerleflti-rilmifl Kevlar ve karbon liflerden olufl-mufltur. Her üç bileflenin de önemli ro-lü vard›r. Epoksi reçinesi ekonomikbir yap› malzemesi olmas›n›n yan›s›ra,suda mükemmel korozyon direnci vehafifli¤i nedeniyle tercih edilir. Kevlarve karbon lifler ise sa¤laml›k ve rijitli-¤i sa¤larlar. Böylelikle üretilen kano,h›zl›d›r, rahatl›kla manevra yapabilirve hafiftir. Bir di¤er uygulama, karbonliflerle güçlendirilmifl naylon tenis ra-ketidir. Matris olarak naylon (di¤erad›yla poliamid 66) seçilmesinin ikinedeni vard›r. Birincisi enjeksiyon ka-l›plama yöntemiyle seri üretimininekonomik biçimde yap›labilmesi; ikin-cisi ise düflük yo¤unlu¤u nedeniylehafif olufludur. Karbon lifler 0,1-1 mmuzunlu¤unda olup, istenilen dayan›mve sertli¤i sa¤lamak için uygundurlar.Böylelikle üretilen raket saatte 75 kmh›zla çarpan toptan zarar görmeyecekderecede sa¤lamd›r.

Üçüncü bir uygulama ise kauçukotomobil lasti¤idir. Lasti¤in yan cidar-


fiekil 2. Uçak teknolojisinde kullan›lan kompozitmalzemeler

fiekil 4. Difl hekimli¤inde kullan›lan kompozit dol-gular›n klasik amalgam dolguyla (koyu renkli olan)

karfl›laflt›r›lmas›.

lar› esnek olmal›, bükülmelerde defor-me olmamal› ve ani yükleri karfl›laya-bilmelidir. Saf kauçuktan üretilen birlastik bu istekleri karfl›layamayaca¤›n-dan güçlendirilmesi gerekmektedir.Güçlendirme, yap›ya kat›lan karbonkaras› ve poliester lifler ile sa¤lan›r.Poliester lifler yerine çelik lifler dekullan›labilir.

Kompozit malzemelerin en yayg›nkullan›ld›¤› alanlardan biri de t›p'd›r.Özellikle sert doku implant› olarakortopedide ve diflçilik uygulamalar›n-da çeflitli kompozit malzemeler kulla-n›lmaktad›r. Ortopedide k›r›k kemikonar›m› için iç ve d›fl ba¤lant› sistemiolarak, kemik plakas› fleklinde, çivi,çubuk formunda, eklem ve kemik ye-nilemelerinde, kemik çimentosu ola-rak haz›rlanan kompozitler mevcut-tur. Bu malzemeler genelde biyo-uyumlu kollajen lifler ile güçlendiril-mifl epoksi matris, karbon yada poli-amid lifler ile güçlendirilmifl polilak-tik asit, poliglikolik asit, cam ile güç-lendirilmifl poliüretan, kollajen lifler-le güçlendirilmifl ultra yüksek mole-kül a¤›rl›kl› polietilen seklindedir.Difl hekimli¤inde ise difl dolgusu ola-rak kompozit reçineler, difl destekmateryali olarak kollajen lif ile güç-

lendirilmifl epoksi reçinesi kullan›l-maktad›r. Ayr›ca ortodontik teller;cam lif ile güçlendirilmifl naylon, po-lipropilen, polimetilmetakrilattanimal edilirler. Köprü olarak ise düflükmaliyeti ve kolay haz›rlanabilmesi gi-bi özelliklerinden dolay› kollajen,

cam yada Kevlar lifler ile güçlendiril-mifl polimetilmetakrilat kompozitlerkullan›l›r.

Özellikle son 40 y›ld›r difl hekimle-ri kompozit dolgu maddeleri üzerin-de çal›flmaya bafllam›fllard›r ve bunlarbeyaz dolgu olarak adland›r›lm›flt›r.Bu yap› genel olarak cams› reçine veplastik dolgu maddelerinden haz›rla-n›r. Bu tür dolgu malzemelerini kul-lanan difl hekimleri kompozit rengiy-le difl rengini eflleyerek, klasik amal-gam (civa temelli) dolguya nazaranestetik aç›dan önemli geliflme kaydet-mifllerdir.

Kompozitler konusunda dünyan›nher yerinde yo¤un araflt›rma ve gelifl-tirme faaliyetleri devam etmekte-dir.Özel uzay tafl›tlar›n›n üretimi bukonuda ilgi oda¤›n› oluflturmaktad›r.Tokyo'dan Los Angeles'a 3 saatteuçabilecek bir uça¤›n üretimi hedef-lenmifltir. Böyle bir uça¤›n üretimin-de en kritik nokta çok yüksek s›cak-l›klara dayanabilecek uygun bir kom-pozit malzemenin bulunmas›d›r.

Prof.Dr.Menemfle Gümüflderelio¤lu Osman Okur

KaynaklarM.Gümüflderelio¤lu , “ Biyomateryal Ders Notlar› “, Hacettepe Üni-

versitesi, 2003.www.btec.cmu.edu/tutorial/biomaterials/biomaterials.htmwww.dent.bis.ac.uk/Biomaterial/kdj.htmwww.skyscan.be/next/application0401.htmwww.indceramictech.com/default.htmwww.ornl.gov/ORNLReview/v33_3_00/p12b_sm.jpgwww.asavanant.com/S_Ceramic.html


fiekil 3. Otomotiv teknolojisinde kullan›lan kompozit malzemeler

fiekil 5. Günümüz sanayiinde kullan›lan kompozit yap›lara örnekler.a) Bilgisayar çipi olarak kompozit yap›n›n kullan›m›, b) Dayan›kl› su borusu olarak kompozit yap›n›n kullan›-m›, c) Suya dayan›kl› köpük kompozit malzemeler, d) Fiberglas plastik reçine, e) Termoset yap› içine sente-

tik fiber eklenerek yap›lan kompozit malzemeler

a

b

c

d

e

Doku mühendisli¤i yaklafl›m› ile birdokunun onar›m› ya da üretimi için odokuyu oluflturan sa¤l›kl› hücreler uy-gun bir malzeme üzerine tutturularaküretilmekte ve elde edilen ürün hasta-n›n ifllev görmesi istenilen doku bölge-sine yerlefltirilmekte. Bu uygulamaiçin çok az miktarda hücre yeterli olu-yor, çünkü dokulardan izole edilenhücre türlerinin pekço¤u yapay besiortamlar›nda ço¤alabilme, di¤er birdeyiflle kültür edilebilme özelli¤ine sa-hip. Fakat, izole edilen hücrelerin tekbafllar›na yeni dokuyu oluflturamad›k-lar› düflünülmekte. Çünkü ço¤u orga-n›n hücreleri yüzeye ba¤›ml› (anchora-ge-dependent, AD) ve üremeleri içinuygun bir çevre sa¤layan destek mal-

zemeye ihtiyaç duyuyorlar. Üreyenhücrelerin normal ifllevlerini yerinegetirebilmeleri ve doku oluflumunugerçeklefltirebilmeleri için bu malze-menin uygun özelliklere sahip olmas›ve gerçek doku mikroçevresine ben-zer olarak üç-boyutlu yap›da infla edil-mesi gerekiyor. ‹flte, doku iskeleti ola-rak adland›r›lan bu yap›lar doku mü-hendisli¤inin temel malzemesini olufl-turmakta.

Doku iskelesi, yapay bir “hücre-d›fl›matris” (extracellular matrix=ECM)olarak düflünülebiliyor. Gerçek doku-da bulunan ECM, hücreler için fizikseldestek sa¤lamas›n›n yan›s›ra, hücregeliflmesi, farkl›laflmas› ve ifllevleri aç›-s›ndan önemli role sahip. Örne¤in ge-

nifl çapl› bir doku hasar›n›n, hasarl›bölgeye yaln›zca hücrelerin yerlefltiril-mesi ile giderilmesi mümkün de¤il. Bunedenle yapay bir ECM oluflturacakbir iskeletin hücrelerle birlikte bu böl-geye yerlefltirilmesi gerekiyor. Yenidoku gelifltikten ve hücreler yeni ECMoluflturabilecek kapasiteye ulaflt›klar›zaman iskelete ihtiyaç duyulmaz. Bu-nun için iskeletin vücut ortam›ndaparçalanabilen bir malzemeden (biyo-bozunur malzeme) yap›lmas› flart. Ay-r›ca, malzeme biyouyumlu olmal›, yanivücut içerisine yerlefltirildi¤inde isten-meyen doku tepkilerine yol açmamal›ve ayn› zamanda hücre yap›flmas›n› veifllevini artt›r›c› yüzey kimyas›na sahipolmal›. Malzeme parçalan›rken, biyo-uyumlulu¤unu kaybetmemeli ve zehir-li ürünler oluflturmamal›. Ayr›ca, hüc-relerin ve besinlerin geçiflini sa¤laya-cak gözenekli yap›da olmal›. Bu özel-liklere sahip malzemeler aras›nda do-¤al polimerler, yapay polimerler, sera-mikler ve bu malzemelerin birleflimi

DOKU MÜHEND‹SL‹⁄B‹YOM‹MET‹K


Kifliye özgü doku iskelesi dizayn›

Biyomimetik malzemelerde biyomoleküler tan›ma

a) Doku iskelesi, b) Hücrelerin doku iskelesine ekimi c) Damarlaflma ve yeni dokunun oluflumu

Hücre D›fl› Matrix

Hücre

Siny

al

MM

Ps

ile oluflan kompozitler say›labilir.Doku iskeletinin karmafl›k doku ya-

p›lar›n› en iyi biçimde taklit etmesi ge-rekiyor. Yani fizyolojik olarak en uy-gun hücre ve doku modellerinin olufl-turulmas› son derece önemli. Bu ne-denle son y›llarda “biyomimetik mal-zemeler” in tasar›m›na yönelinmifl. Bumalzemeler “biyomoleküler tan›ma”özelli¤ine sahipler ve böylelikle çevre-deki dokular ile iletiflim kurabiliyor-lar. Bir malzemeye böyle bir tan›maözelli¤i nas›l kazand›r›labilir? fiüphe-siz ki, ECM’de yer alan çeflitli sinyalproteinleri yap›ya katarak. Özelliklehücrelerin yap›flmas›n› sa¤layan çeflit-li proteinler (fibronektin, vitronektinve laminin gibi) bu amaçla kullan›l›-yor. Ancak son araflt›rmalarda bu pro-teinlerin tamam›n›n de¤il de belli k›-s›mlar›n›n yap›flmada daha etkin oldu-¤u bulunmufl (örne¤in fibronektin ye-rine bunun arjinin-glisin-aspartik asit-serin amino asitlerinden oluflan RGDSsekans› gibi). Bu hücre yap›flt›r›c› ya-p›lar, biyomalzeme yüzeyine uygundesenler oluflturacak flekilde tutturu-luyor. Çünkü, dokular›n yap›s›na ba-k›ld›¤›nda, doku tipine göre hücrele-rin farkl› desenlerde düzenlenmifl ol-duklar› görülüyor. Örne¤in deri doku-sunda hücreler birbirine çok yak›n ves›k›fl›k biçimde yerleflmifl. Tendondaise hücreler silindirik eksen boyunca

düzenlenmifl. Dolay›s›yla, doku oluflu-mu için hücrelerin iskelete do¤ru dü-zende eklenmesi gerekiyor ve bu dayap›flt›r›c› proteinlerin bulundu¤umikrodesenler üzerinden gerçeklefli-

yor.Mikrodesenleme olarak adland›r›-lan bu teknikde desenler mikro ve na-noteknolojiye dayal› yöntemlerle olufl-turuluyor. Bunlar aras›nda fotolitog-rafik teknikler en çok kullan›lanlar.Mikroelektronik endüstrisinde yayg›nolarak kullan›lan fotolitografi temelolarak, ›fl›¤a-duyarl› bir maddenin (fo-toresist) biyomalzeme yüzeyine kap-lanmas› ve daha sonra deseni öncedenbelirlenmifl bir maske üzerinden yüze-ye UV ›fl›n› uygulanmas›yla, maske de-seninin yüzey üzerinde oluflmas›nadayal› bir teknik. Mikrokontakt bask›-lama ve mikroak›fl teknikleri de s›kl›k-la kullan›lan di¤er yöntemler.

Yukar›da söz edilen mikrofabrikas-yon teknikleri, doku iskeletlerinin bi-yomimetik olarak tasarlanmas›na ola-nak sa¤l›yor ve haz›rlanan yap›lar, kla-sik biyomalzemelere nazaran uygula-mada benzersiz avantajlar sunuyor.


⁄‹ ‹Ç‹N GEL‹fiT‹R‹LEN K MALZEMELER

A)Silikon yüzey üzerinde oluflturulmufl mikrodesenler, B)Mikrodesenlerde üre-

mifl fare aort endotel hücreleri

Fotolitografik teknik

Bilim adamlar› do¤al düzeni taklitederek çok say›da biyolojik molekülüsentezlemeye çal›fl›yorlar.

Bu moleküllerin bafl›nda da enzim-ler ve antikorlar gibi yüksek seçicili¤esahip moleküller geliyor. Molekülerbask›lama yöntemi kullan›larak yap›lanbaflar›l› çal›flmalar konunun gelecekaç›s›ndan önemini vurguluyor.

‹nsano¤lunun öncelikle hayatta kala-bilmek amac›yla bafllayan do¤ay› taklitetme iste¤i, geçen zamanla birlikte do¤a-y› aflma, do¤an›n sunduklar›ndan dahafazlas›n› elde etme yönüne kayd›. Has-sas dengeler üzerinde süregelen bu do-¤al düzeni taklit, çok say›da teknolojik

geliflmenin de temelini oluflturdu ve ha-len de oluflturmaya devam etmekte. Kufl-kusuz enzimler bu hassas dengenin enk›skan›lan, bir o kadar da ilham vericibir grubu. Enzimlerin temel ifllevi biyo-lojik tepkimeleri h›zland›rmak. Bu ne-denle enzimler “biyolojik katalizörler”olarak adland›r›l›yorlar. Birçok tepkime-nin vücudumuz içersinde 37˚C gibi dü-flük bir s›cakl›kta gerçekleflmesi, kimya-c›lar›n enzimlere büyük ilgi göstermele-rinin en temel nedeni. fiu an kimya vedi¤er sanayilerde enzimlere benzer kata-lizörler var olsa da, enzimlerin göster-dikleri etkinlik ve seçicili¤e hâlâ ulafl›la-mam›fl. Ayr›ca, vücudumuzun savunma

güçleri olan antikorlar gibi, etkileyece¤imolekülü tan›yan ve yaln›zca ona özgütepkiler veren, k›sacas› özgül ve seçiciyap›lar elde etme iste¤i, araflt›rmac›lar›ndo¤ay› taklit etme konusuyla daha fazlailgilenmelerinde bir di¤er etken olmufl.Bu konudaki ilk baflar›l› çal›flma, 1972y›l›nda Düsseldorf Üniversitesi’ndenGünter Wulf ve Mosbach taraf›ndan ya-p›ld› ve tan›nmas› istenen molekülün po-limer yüzeyine bask›lanmas› olarak ifadeedilen “moleküler bask›lama” kavram›yine ilk kez bu çal›flmayla gündeme gel-di. Enzim ve antikorlar gibi do¤al mole-küllerin yapay olarak elde edilebilmesifikri yani biyomimetik molekül (biyolo-


MOLEKÜLER bask›la

jik moleküllerin taklidi) sentezi, ilk bafl-larda hayal olarak görülse de daha son-ra yap›lan çal›flmalarla çok daha aç›k birflekilde ortaya kondu.

Yukar›daki tan›m›ndan da aç›kça gö-rülece¤i gibi moleküler bask›lama’n›ntemeli “moleküler tan›ma” kavram›nadayan›r. “Moleküler tan›ma” kavram›Cram, Lehn ve Pederson’›n 1987 y›l›ndaNobel Ödülü’nü almalar›yla tüm dünya-da ö¤renildi. Ancak bu konunun temel-leri çok daha eskilere, 1890’l› y›llardaFischer’in öne sürdü¤ü meflhur “anah-tar-kilit modeli”ne kadar gidiyor. Biranahtar›n kilidi açabilmesi için nas›l ge-ometrik olarak onun tamamlay›c›lar› ol-mas› gerekiyorsa, enzimler de ancak ge-ometrik aç›dan tamamlay›c›s› olan mole-küllerle (ya da moleküllerin uygun böl-geleriyle) tepkimeye girerek katalizlemegörevlerini yerine getirebilirler. Molekü-ler tan›ma, yaln›zca enzimlerin de¤il,tüm biyolojik ifllevlerin temeli oldu¤un-dan, moleküler tan›ma özelli¤ine sahipyapay moleküllerin sentezlenmesiyle, bi-yolojik iflleve sahip biyomimetik mole-küller haz›rlanm›fl olacak. Bu biyomime-tik moleküllerin, biyoteknoloji, t›p ve bi-yoanalitik alanlar›nda son derece yararl›olaca¤› aç›k. Özellikle yapay almaçlar›n(reseptörlerin) haz›rlanmas› konusunda,günümüzde pek çok laboratuvarda çal›fl-malar yap›lmakta.

Peki moleküler bask›lama nedir venas›l yap›l›r? Moleküler bask›lama k›sa-

ca, üzerinde hedef molekülü tan›maözelli¤i tafl›yan merkezler içeren poli-merlerin sentezlenmesi ifllemi. Senteziçin iki temel gereksinim var: 1) hedefmolekül ya da di¤er bir deyiflle bask›la-nacak molekül 2) hedef molekülle etkile-flebilecek (kovalent veya kovalent olma-yan ba¤lanmayla) ifllevsel bir monomer(monomerler polimerlerin yap› tafllar›-d›r). Bu temel gereksinimlerin yan›s›raçözücü, çapraz-ba¤lay›c› gibi yan gerek-sinimler de sözkonusu.

Moleküler bask›lama ifllemi üç basa-maktan oluflur. ‹lk basamakta bask›lana-cak molekül ile monomer etkileflerek birbileflik olufltururlar. ‹kinci basamakta bubileflik yap›, ifllevsel monomer üzerindenpolimerlefltirilir. Polimerlefltirme gerçek-lefltikten sonra kal›planan molekül, y›ka-ma ifllemiyle polimerik yap›dan uzaklafl-t›r›l›r. Böylelikle geride bask›lanm›fl ba¤-lanma bölgelerine sahip bir polimer ka-l›r. Art›k bu polimer hedef molekül içinyüksek seçicilik ve ilgiye sahiptir. Örne-¤in, hedef molekülü de içeren bir kar›-fl›m, bask›lad›¤›m›z polimer ile etkilefle-cek olursa, sahip oldu¤u ba¤lanma böl-geleri nedeniyle yaln›zca hedef molekü-lü tan›yarak ona ba¤lanacak ve böylelik-le hedef molekülün kar›fl›m ortam›ndanuzaklaflt›r›lmas›, yani saflaflt›r›lmas› sa¤-lanacak.

Moleküler bask›lama son derece ba-sit bir ifllem olarak gözüküyor olsa da,yöntemin baflar›s› baz› noktalara dikkat

edilmesine ba¤l›. En temel nokta, poli-merleflme s›ras›nda monomer ve hedefmolekül etkileflimlerinin kararl› olmas›.Karars›zl›k, seçicilik ve ilgiyi olumsuzyönde etkiler. Bu yüzden moleküler bas-k›lama ifllemlerinde kullan›lan çözücüçok önemli ve kararl›l›¤› art›rmak ama-c›yla pek çok uygulamada su benzeri or-ganik çözücüler kullan›l›r. Haz›rlananbask›lanm›fl polimerlerin rijid, yani me-kanik aç›dan kararl› yap›da olmas› dabask›laman›n baflar›s›n› etkileyen bir di-¤er nokta ve kararl› bir yap› için, ortamaçapraz ba¤lanmay› sa¤layacak bir mole-külün de, yüksek oranda eklenmesi ge-rekiyor. Çözücü seçimi, polimerleflme s›-ras›nda yap›n›n gözeneklili¤ini kontroletmek aç›s›ndan da önemli. Metakrilikmonomerleri çok farkl› etkileflimler sa¤-lad›klar› için tercih edilir. Bunun yan›s›-ra poli (etilen) glikol kat›larak hem ifllev-sellik sa¤lan›yor, hem de immünojenite(ba¤›fl›kl›k sisteminde tepkiye yol açmaözelli¤i) düflürülür.

Moleküler bask›lama alan›nda yap›-lan çal›flmalarla, pek çok molekül baflar›-l› bir flekilde bask›lanm›fl durumda. An-cak bu konudaki en önemli k›s›tlama,bask›lanacak molekülün küçük olmas›gereklili¤i. Bask›lanan molekülün dahasonra polimerik yap›dan uzaklaflmas› ge-rekti¤inden, polimerin gözeneklerindengeçebilecek kadar küçük olmas› kofluluaran›r. fiimdiye kadar bask›lanm›fl mole-küller aras›nda çeflitli ilaçlar, hormonlar,proteinler, aminoasitler, karbonhidrat-lar, boyalar, böcek ilaçlar›, nükleotidle-por, koenzimler ve kolestrol gibi steroid-ler say›labilir.

Moleküler olarak bask›lanm›fl poli-merlerin do¤al almaçlara benzer bir ilgi(afinite) ve seçicilik göstermelerine kar-fl›l›k de¤iflik ortam koflullar›na karfl› (ör-ne¤in; pH ve s›cakl›k) daha kararl› olma-lar› ve kolay elde edilebilmeleri, bu ko-nuyu daha da ilgi çekici hale getiriyor.

Moleküler olarak bask›lanm›fl poli-merlerin, yukar›da da bahsedildi¤i gibien temel uygulama alan› ay›rma ifllemle-ri. Bu polimerlerin, bask›lanan molekü-lü, ona çok benzer birçok molekül ara-s›ndan (hatta baz› moleküllerin L ve Dformlar›n›n ayr›lmas› gibi) tan›yabilmeözelli¤i, pek çok ay›rma ve saflaflt›rma ifl-


anm›fl malzemeler

lemi aç›s›ndan ilgi çekici. Naproxen, Ti-molol gibi ilaçlar›n ay›rma ifllemleri, ilaç-larda molekülün tek bir formunun kulla-n›lmas› gerekti¤inden, en önemli ay›rmaifllemlerinden biri ve bask›lanm›fl poli-merler kullan›larak yap›lan ay›rma ifl-lemlerinde oldukça iyi sonuçlar eldeedilmifl durumda.

Bask›lanm›fl polimerler, katalizör ola-rak da kullan›l›yorlar. Bu tür uygulama-lar için gelifltirilmifl bask›lanm›fl polimer-ler “plastik enzimler” olarak adland›r›l›-yorlar. Plastik enzim, hedef molekülü ta-n›r ve ona ba¤lanarak kimyasal tepkime-nin aktivasyon enerjisini düflürür, böyle-ce tepkimenin daha h›zl›, daha düflük s›-cakl›kta ve daha verimli bir flekilde ger-çekleflmesini sa¤lar. Shea taraf›ndanhidrojen florürün bir molekülden ayr›l-d›¤› tepkimeyi katalizleyen bir plastikenzim elde edilmifl durumda. Bu uygula-madaki sistem oldukça basit oldu¤u hal-de, do¤al enzimlerden çok daha avantaj-l›. Bilindi¤i gibi, enzimler protein yap›da-d›r ve bu yüzden s›cakl›k ve pH gibi d›flortam koflullar›ndan çok fazla etkilenir-ler. Enzimler, yüksek s›cakl›k ve organikçözücüler içinde denatüre olur (üç bo-yutlu yap›lar›n› kaybederler) ve ifllevleri-ni yitirirler. Ancak enzimlerin plastiktaklitleri, organik çözücüler içinde ol-dukça genifl bir pH aral›¤›nda ve150˚C’ye kadar yüksek s›cakl›klardaözelliklerini kaybetmeksizin güvenlekullan›labilirler.

Moleküler olarak bask›lanm›fl poli-merlerle ilgili en ilgi çekici geliflmelerinyafland›¤› bir baflka uygulama alan›nday-sa, bu yap›lar biyo-alg›lay›c› ve benzericihazlarda tan›ma eleman› olarak kulla-n›l›yorlar. Bilindi¤i gibi biyo-alg›lay›c›lar,enzimler veya antikorlar gibi belirli mo-lekülleri tan›ma özelli¤i tafl›yan yap›larkullanarak, çeflitli moleküllere karfl› öz-gül olarak elde edilen tepkilerin uyguncihazlar yard›m›yla (transducerlar) fizik-sel ve ölçülebilir verilere dönüfltürülme-sini sa¤layan düzenekler. Biyo-alg›lay›c›-lar, günümüzde çeflitli teflhis kitlerindes›kl›kla kullan›lmaktalar. Bunlar içerisin-de en yayg›n kullan›lanlardan bir grup,kan flekerini, yani kandaki glukoz mikta-r›n› ölçen cihazlar. Bu sistemde biyo-al-g›lay›c›, içerdi¤i tan›ma eleman› arac›l›-¤›yla glukozla etkileflime girer. Bu etki-leflimlerle elde edilen tepkiler, daha son-ra uygun cihazlar yard›m›yla ölçülebilir,fiziksel tepkilere dönüfltürülür ve biz desonuç olarak kan›m›zdaki glukoz mikta-

r›n› say›sal bir de¤er olarak elde edebili-riz. ‹flte bask›lanm›fl polimerler biyo-alg›-lay›c›lardaki tan›ma elemanlar›na seçe-nek olarak kullan›labilirler. Bu cihazlar-da bask›lanm›fl polimerlerin kullan›lmas›hâlâ do¤al yap›lar›n yerini tümüyle al-masa da polimerler gösterdikleri kararl›-l›k ile oldukça ilgi çekici bir seçenekolufltururlar. Daha önce de söz edildi¤igibi, polimerlerin do¤al yap›lara göregösterdikleri yüksek dayan›kl›l›k ve ka-rarl›l›¤›n yan›s›ra do¤al yap›lardan dahaucuz olmalar› da, avantajlar› aras›nda.Buna ek olarak polimerler, do¤al almac›elde etmenin çok zor veya mümkün ol-mad›¤› durumlarda yarar sa¤larlar. Tümbunlar›n yan›s›ra bask›lanm›fl polimerle-rin elde edilme maliyeti, do¤al antikorve almaçlardan düflüktür ve poliklonalantikor elde etmek için hayvan gereksi-nimini ortadan kald›r›rlar.

Moleküler bask›laman›n temel uygu-lama alanlar›, yukar›da say›lanlar. An-cak, bask›lanm›fl polimerler baflka alan-lara da uygulanabilirler. Örne¤in, bask›-lanm›fl polimerlerin su ar›t›m›nda, su içe-risindeki istenmeyen molekülleri tutucubir eleman olarak kullan›lmas› mümkün-. Bask›lanm›fl polimerler, çeflitli savun-ma sistemlerinde de kimyasal ve biyolo-jik silah tehdidine karfl› kullan›labilirler.Bu sistemlerde polimerlerin tan›ma özel-li¤inden yararlan›larak kimyasal veya bi-yolojik silah moleküllerinin polimer ta-raf›ndan tespit edilmesi sa¤lanabilir veerken uyar› sistemleri gelifltirilebilir.

Moleküler olarak bask›lanm›fl poli-merlerin son y›llarda h›zla geliflen bir di-¤er uygulama alan› da, hidrojeller. Hid-rojeller büyük ölçüde s›v› emme özelli¤i-ne sahip, düflük çapraz ba¤l› a¤-benzeriyap›lar ve ilaç sal›m sistemleri, kontaktlensler gibi de¤iflik uygulama alanlar›nasahipler. Ancak hidrojellerde molekülerbask›lama yap›lmas›, farkl› bir yöntemgerektirir; çünkü bu yap›lar›n kararl› ol-mamas›, esnek yap›lar olmas› gerekir.

Bu nedenle, moleküler bask›lamayla hid-rojellerde flu an için, di¤er polimerlerdeoldu¤u gibi etkin bir tan›ma elde edile-bilmifl de¤il. Ancak hidrojellerle yap›lanmoleküler bask›lama çal›flmalar›, mole-küler bask›laman›n, hidrojellerin ilaçyükleme ve sal›m davran›fl› üzerindeolumlu geliflmeler sa¤lad›¤›n› göster-iyor. Moleküler bask›lamayla hidrojeller-de daha fazla ilaç yüklenmesine olanaksa¤layacak bölgeler ve ba¤lanma mer-kezleri elde ediliyor. Göz kurulu¤u, kon-juktivit gibi göz rahats›zl›klar›nda hepi-mizin bildi¤i gibi en çok kullan›lan teda-vi biçimi, damla kullan›m›. Damla kulla-n›m› kolay uygulansa da, ilac›n çok az›-n›n gözün istenilen bölgesine ulaflmas›ve bir anda çok yüksek dozlar kullan›la-rak s›k s›k tekrarlanmas› gereklili¤i, birdezavantaj. Bu nedenle, araflt›rmac›larbuna seçenek olacak çeflitli yöntemlereyönelmifl durumdalar. Kontakt lenslereilaç yüklenmesi en yeni seçeneklerdenbiri. Bu yöntemle hasta, lensi gözüneyerlefltirdi¤inde lens yüklenen ilac› kont-rollü bir flekilde göze salar. Bu yöntemineksik yönü, lense yüklenen ve lens tara-f›ndan sal›nan dozun, istenen dozun al-t›nda olmas›. Bask›lanm›fl hidrojellerinilaç sal›m›nda kullan›m›yla ilgili yap›lanbir çal›flmada göz kurulu¤u ve konjukti-vit gibi göz rahats›zl›klar›nda kullan›lanTimolol adl› ilaç, moleküler olarak bask›-lanm›fl kontakt lenslere yüklenmifl vemoleküler olarak bask›lanm›fl kontaktlenslerin bask›lanmam›fllardan daha iyiilaç yükleme ve sal›m özelli¤ine sahip ol-duklar› ortaya konmufl.

Yukar›daki bilgilerden de anlafl›laca-¤› gibi moleküler bask›lama oldukça ilgiçekici ve gelecekte önemli geliflmelerinyaflanaca¤› bir konu. Belki de bu yönte-min gelifltirilmesiyle, çok daha iyi tan›maözelliklerine sahip yap›lar elde edilebile-cek ve flu an akl›m›za gelmeyen birçokifllevin gerçeklefltirilmesi mümkün olabi-lecek.

Prof. Dr. Menemfle Gümüflderelio¤luSezin Ertan

HÜ Kimya Mühendisli¤i Bölümü

KaynaklarMolecular imprinting within hydrogels Advanced Drug Delivery Revi-

ews, 54 (2002) 149-161. M.E. BYRNE, K.Park, N.A. PeppasToward the next generation of molecular imprinting with emphasis on

the formation, by direct molding, of compounds with biologicalactivity (biomimetics), Analytica Chimica Acta, 435, 1,( 2001),3-8. Klaus Mosbach

Molecular imprinting: at the edge of the third millennium, Trends inBiotechnology, 19, 1, 2001, 9-12, S.A. Piletsky, S. Alcock andA. P. F. Turner.

http://pubs.acs.org/hotartcl/ac/97/jun/mol.htmlwww.foresight.org/Conferences/ MNT7/Papers/Cagin3



Monomer ad› verilen çok say›da küçük mole-külün birleflmesiyle elde edilen büyük molekülleryani polimerler kuflkusuz hayat›m›z›n çok önemlibir parças›. Mutfa¤›m›zda kulland›¤›m›z pek çokmalzemeden arabalar›m›z›n lastiklerine, ameliyatipliklerinden ilaç kapsüllerine kadar çok say›daürün polimerden olufluyor. Araflt›rmac›lar ise bugenifl ürün yelpazesini daha da geniflletmeye ça-l›fl›yor. Y›ld›z polimer olarak adland›r›lan poli-merler sa¤lad›klar› yeni özellikler ile araflt›rmac›-lar için oldukça ilgi çekici bir konu.

Y›ld›z polimerlerin özelliklerini daha iyi anla-mak için öncelikle do¤rusal, dallanm›fl ve çaprazba¤l› polimerik yap›lar› anlamak gerekir. Do¤ru-sal polimerler, monomerlerin birbirleri ard›na di-zilmesiyle düz, uzun zincirler olufltururlar. Bu tipdüz zincirlere yan kollar›n ba¤lanmas›yla dallan-m›fl yap›lar elde edilir. Bu düz ve dallanm›fl zin-cirler, aralar›nda oluflan ba¤lar (çapraz ba¤lar)ile birbirine tutunabilirlerse üç boyutlu bir yap›elde edilir ki, bu çapraz-ba¤lanm›fl polimerdir.Çapraz ba¤ say›s› artt›kça polimerin sertli¤i ar-tar. ‹flte elimizde tuttu¤umuz sert plastikler çoksay›da çapraz ba¤ içeren yüksek molekül a¤›rl›k-l› polimerlerdir. Çapraz ba¤ say›s›n› ayarlayarakpolimerlerin istedi¤imiz sertlikte olmas›n› sa¤la-yabiliriz.

Y›ld›z polimerler yukar›da sözü edilen do¤ru-sal veya dallanm›fl yap›lardan oldukça farkl›lar.Y›ld›z polimerlerin merkezinde bir çekirdek bulu-nuyor. Do¤rusal polimer zincirleri bu çekirde¤eba¤lan›p üç boyutlu bir yap› oluflturuyor. Polimerzincirleri, ayn› veya farkl› uzunlukta olabilece¤igibi, tümüyle farkl› monomerlerden oluflabiliyor.‹lk y›ld›z polimerin sentezlenmesi 1948 y›l›ndapolikondenzasyon yöntemiyle gerçekleflmifl ve otarihten bu yana polistiren (PS), poliizopiren(PI), polibutadien (PB) ve polietilenglikol (PEG)gibi çeflitli polimerler y›ld›z polimer olarak sen-tezlenmifltir. Ancak, özellikle polimerlerin t›p veeczac›l›k alanlar›nda giderek artan bir kullan›ma

sahip olmas›, bu uygulamalara yönelik y›ld›z po-limerlerin sentezini gündeme getirmifl ve özellik-le son 5 y›l içersinde bu konudaki araflt›rma veyay›nlanan makale say›s› t›rman›fla geçmifltir.

Di¤er polimerlerden oldukça farkl› olan yap›-lar› y›ld›z polimerlere, çok de¤iflik özellikler ka-zand›r›yor. Y›ld›z polimerler, küçük bir hacimdeyüksek miktarda fonksiyonel grup yo¤unlu¤unasahipler. Fonksiyonel grup say›s›ndaki art›fl poli-merin farkl› moleküllerle reaksiyona girme özel-li¤ini artt›r›yor. Do¤rusal polimerlerle bu kadarçok fonksiyonel grup elde etmek için çok say›dak›sa zincir kullanmak gerekir ki bu da polimerinmekanik özelliklerini olumsuz etkiler. Y›ld›z poli-merler çapraz ba¤land›¤›nda bile hala pek çoksay›da fonksiyonel grup serbest halde bulunur.Bu serbest gruplar yap›n›n farkl› moleküllerle et-kileflime girme özelli¤ini korumas›n› sa¤lar.

Di¤er polimerlerden farkl› özellikler gösteren

y›ld›z polimerlerin sentezlenmeleri de di¤er poli-merlerden farkl›. Y›ld›z polimer sentez yöntemle-ri “içeri” ve “d›flar› do¤ru” olarak iki gruba ayr›-l›r. Bunlar›n ilkinde, öncelikli olarak ön polimer-leflmesi gerçekleflmifl kollar haz›rlan›r ve dahasonra çekirde¤e, yani içeri do¤ru ba¤lan›r. ‹kinciyöntemde ise ilk olarak üzerinde çok say›da fonk-siyonel grup bulunan çekirdek sentezlenir ve kol-lar›n polimerizasyonu bu gruplar üzerinden ger-çekleflir. Kollar çekirdekten d›flar› do¤ru sentez-lendi¤inden bu yöntem “d›flar› do¤ru” olarak ad-land›r›l›r. Y›ld›z polimer sentezi anyonik ve katyo-nik olarak da s›n›fland›r›labilir.

Y›ld›z polimerlerin sahip olduklar› yüksekfonksiyonalite (ifllevsellik), özellikle ak›ll›-hidrojeluygulamalar›nda önem tafl›yor. Kontrollu ilaç sa-

l›m›nda kullan›lan ak›ll›-hidrojellerin fonksiyonali-tesi, uyar›ya hassas cevap verebilmeleri aç›s›ndanönemli. Fonksiyonel grup say›s› artt›kça ortamlaetkileflime girecek grup say›s› art›yor ve dahahassas sistemler elde edilebiliyor. Bunlara ek ola-rak uç gruplar› de¤ifltirerek farkl› ifllevsel özellik-ler elde etmek de mümkün.

Y›ld›z polimerlerin sahip olduklar› fonksiyo-nalite düzenlendi¤inde, bu polimerler süper güç-lü yap›flt›r›c›, kimyasal/biyolojik molekül tayinedici olarak kullan›labilirler. Ayr›ca, bu sistemlermikro- veya nanopartikül tafl›y›c›lar olarak ilaçsal›m sistemlerinin geliflmesini sa¤lar. Bunlaraek olarak y›ld›z polimerler çok say›da serbestkollar›yla ilaçlar›n, hücrelerin, enzimlerin veyaantikorlar›n immobilizasyonunda kullan›labilir.Bu flekilde çok küçük bir hacimde yüksek biyolo-jik ajan yo¤unlu¤u elde edilebilir. Oksijen geçi-ren y›ld›z polimerler, yumuflak kontak lens uygu-lamalar› için de kullan›labilir.

Ka¤›t ve tekstil ürünlerinin yüzey özellikleri-nin gelifltirilmesi de y›ld›z polimerler için geçerliolabilecek uygulama alanlar›ndan birisidir. Buyüzeylerin özelliklerini de¤ifltirerek kolay ›slan-mamas›n› ve kir tutmamas›n› sa¤layan florlu kap-lamalarda y›ld›z polimerlerin kullan›lmas› denen-mektedir. Bu yöntem yüzey özelliklerini gelifltir-mede olumlu sonuçlar vermifltir.

Y›ld›z polimerlerin en ümit verici uygulamala-r›ndan biri de moleküler bask›lamada kullan›m›-d›r. Moleküler bask›lamada, belli bir hedef mole-kül varl›¤›nda (ilaç, enzim, protein, vb) polimeri-zasyon gerçeklefltirilir ve hedef molekül yap›danuzaklaflt›r›ld›ktan sonra elde edilen polimer, üze-rinde hedef molekül için özel ba¤lanma merkez-lerini tafl›maktad›r. Bu yöntemin hidrojellere uy-gulanmas› istenilen seçicili¤i verememifltir. An-cak y›ld›z polimerler, do¤rusal polimerlerdenfarkl› yap›lar› nedeniyle bu ifllem için daha uy-gundurlar. Keys, yapt›¤› çal›flma ile y›ld›z poli-merlerin, hidrojellerin etkili bir flekilde bask›lan-mas›na olanak verdi¤ini ortaya koymufltur. Y›ld›zpolimerler, çapraz ba¤ say›s› artt›r›lmaks›z›n, et-kili moleküler bask›lama yap›lmas›n› sa¤lad›. El-de edilen hidrojeller bask›lanm›fl ilac› benzerle-rinden ay›rt edebiliyordu. Bu umut verici sonuç-lar›n ard›ndan konuyla ilgili araflt›rmalar yo¤unbir biçimde devam etmektedir.

Prof .Dr . Menemfle Gümüfldere l io¤ luSez in Er tan

Hacettepe Üniv. Kimya Mühendisli¤i BölümüY›ld›z polimer ve kopolimerler

PEG y›ld›z polimerin flematik görünümü.

Y›ld›z polimer çözeltisinin Taramal› elektron mik-roskop (SEM) foto¤raf›.

YILDIZ POL‹MERLER

Arabalardan uçaklara, oradan uzaymekiklerine, ev aletlerinden binalara, cephesap makinalar›ndan süper kompütürle-re malzemeler gün geçtikçe iyileflmekte vebunun sonucunda bu yap›lar daha üstünözelliklerle karfl›m›za ç›kmakta. fiöyle biryaklafl›mla asl›nda bu yaz›ya girifl yapmakistiyorum. ‹nsanl›k önce tafl devrini, sonrabronz devrini ve daha sonrada çelik ça¤›-n› yaflad›. Art›k bundan sonra ise elmas ça-¤›n› yaflamaya bafll›yor. Bunun gerçekli¤i-nin ad›na ise NANOTEKNOLOJ‹ diyoruz.Zaman›m›zda nanoteknoloji sayesinde el-mas benzeri malzemeler (diamondoids)sentezlenebilmekte ve gün geçtikçe ilerle-yen bir h›zla kullan›m alan› bulmaktad›r.Bu nedenle ça¤›m›za elmas ça¤› denmesigaripsenmemelidir. Nanoteknoloji hakk›n-da k›smi bir bilgi verdikten sonra esas ko-numuz olan karbon ve türevlerine bak›flataca¤›z.

Nanoteknoloji, di¤er deyifllerle mole-küler nanoteknoloji veya moleküler üre-tim, gerçekte ayr› bir teknoloji alan› olma-y›p mevcut teknolojilerin do¤mas›na ya-takl›k eden günümüz teknolojisinin çokküçük boyutlarda (mm nin milyonda biri)çal›flmay› ifade eden fantazik bir kavramgibi görünmekte. Bir üretimin, flekillendir-menin, sentezin ilk bafllang›ç an›nda nelerolup bitti¤ini ve bu aflamadaki mekaniz-malar› çözme veya bunlar› kullanarak ifl-lem yapma anlam›n› da ihtiva eder. Tümbu ifllemleri gerçeklefltirebilecek makinapark›, cihazlar, enstrümasyon gelifltikçenanoteknolojide yol al›nm›fl olacakt›r. Ya-ni asl›nda geliflen nano boyutta analiz vesentez yapabilen cihazlar olmufltur. Tek-noloji ve bilim ayr› anlamlar içerdi¤ine fa-kat birbirini tamamlad›¤›na dikkat edilme-si gerek.

Nano... bafll›¤›n› tercih edilifli de boflu-na olmay›p bu hakikati ifadeye bir kap› aç-mas› içindir. Yani bu kelimenin sonunaekleme yapmak sureti ile üretilen kavram-

lar o boyutta yap›lan faaliyetlere, malze-meye, vs. at›ft›r. Olay›n bafllang›c›n›, 1965y›l›nda Fizik Nobeli de alacak olan Ric-hard Feynman’›n 1959 y›l›nda AmerikanFizik Sosaitisi y›ll›k toplant›s›nda yapt›¤›ufuk aç›c› konuflmaya kadar götürülebilir.Bu konuflmas›nda Feynman “fizik kanun-lar›n›n mevcut hali ile atom atom dizilerekyeni bir yap› oluflturulmas›na ters düflme-di¤ini” ifade ile de¤iflik örnekler vermek-teydi. Daha sonralar› de¤iflik modlardaatomik kuvvet mikroskobunun gelifltiril-mesi ile 1990 dan sonra büyük bir ivmekazanm›flt›r. Öncelikle yeni fonksiyonelmalzemeler sentez etme, nano boyutlu ci-hazlar ve sistemler gelifltirme, ve bu bo-yutlardaki maddeyi kontrol etme esas ga-ye olmaktad›r. Neticede üretilen parçalar,aletler, malzemeler hepsi atomlardan olufl-makta. Malum karbon atomlar›n› uygunbir flekilde düzenlemekle elmas elde edil-mifl olur. Kum tanelerindeki atomlar› dü-zenleyince kompüter çipi, kirli sudakiatomlar› düzenleyincede temiz su eldeedilmesi gibi. Teorik olarak moleküler se-

viyede kontrolü mümkin olmas› halindeher ürün muazzam gelifltirilebilir. Fakatesas mesele tek tek atomlar› dizmeye kal-karsak bunun ne kadar zaman alaca¤› ol-sa gerek. Bu nedenle burada farkl› masifüretim mekanizmalar›na ihtiyaç has›l ol-maktad›r. Tabi, bu üretimin fizibil olmas›da zorunluluk. Bu boyutta üretimin veyaaraflt›rman›n en önemli handikaplar›n› s›-ralayacak olursak herhalde atomik boyut-taki yap›flma, sürtünme ve afl›nma en ön-de gelir. Sonras›nda termal titreflimler, ci-haz›n rijitli¤i, pozisyon bulma ve kontrolmekanizmalar›, kuantum etkisi dikkatlekaydelmelidir.

Yeni bir teknolojik alanda geliflmeolurken o konuda pek çok otorite odakla-n›p konu etraf›nda detayl› beyin f›rt›nalar›gerçeklefltirmekte, enine boyuna tart›fl›l-makta ve bu saha için kullan›lmas› düflü-nülen finans kaynaklar› oluflturulmaya ça-l›fl›lmaktad›r. Dünyaya bu aç›dan bak›ld›-¤›nda pek çok ülke konunun gelece¤ininöneminin fark›na varm›fl, bilim kurumlar›(üniversiteleri, araflt›rma laboratuarlar›,teknoloji flirketleri ve vak›flar›) ile bu sa-haya yönelmifl ve h›zla bu alana yat›r›myapmaktad›rlar. 1997 de s›ras› ile ABD,Bat› Avrupa, Japonya, Güney Kore, Tay-van, Avusturalya, Çin ve dünyadaki di¤erülkelerin nanoteknoloji araflt›rma gelifltir-melerine y›ll›k bazda ay›rd›¤› finansman432, 126, 120, 0, 0, 0, 0, 0 milyon USDiken 2002 y›l›nda bu rakamlar 604, 400,750, 100, 70, 40, 40, 270 milyon USD ol-mufltur. fiu ana kadar ciddi baflar›lar eldeedilmifltir. Fakat kütle veya seri üretim he-nüz söz konusu olmamas›na ra¤men bafla-r›lmas› an meselesidir. Evet ülke olarak el-mas ça¤›n› da kaç›rmak istemiyorsak, ge-rekli ad›mlar› atman›n ve uygun araflt›rmaortam› oluflturman›n kaç›n›lmaz bir zo-runluluk oldu¤unu aflikard›r.

fiimdi k›smen nanoteknolojinin geldi¤inoktadan bahsedip ve sonra hangi alanlar-da uygulama bulabilece¤ini veya etkili ola-bilece¤ini irdeleyelim. Mikroskoplarda,malzeme biliminde, moleküler seviyedekonum kontrolünde ve kuantum mekani-¤inin klasik ve modern s›n›rlar› aras›nda-ki fark› anlamada elde edilen geliflmelerciddi kazan›mlar getirmifltir. Ana hedef busayede çok hafif, yüksek mukavemetli,


ELMAS ÇA

fiekil 1: C60 Buckminsterfulleren/Fulleren

fiekil 2: Karbon-nano-tüp

ak›ll›(!), ucuz ve temiz malzemeler elde et-mektir. fiu ana kadar organik nikelden bi-omoleküler motor yap›labilmifl, özellikleelektronik sistemlere yönelik tek molekül-lü transistör yap›lm›fl, nano partikülleroluflturulabilip bunlar kan vas›tas› ile bey-ne kemoterapi amac› ile tafl›nabilmifl, olufl-turulan alt›n nanopartiküller sayesinde bi-olojik savafl›n en kritik k›sm› olan DNAtesbiti gerçeklefltirilmifl, moleküler k›skaç-lar yap›lm›fl ve karbon nanotüplerden (ge-lece¤imizin en stratejik malzemesi olmayaaday) lojik kap›lar elde edilebilmifltir. Bun-lara daha ilave edilebilecek çok fleylermevcut olmas›na ra¤men bu kadarl›kla ik-tifa ediyoruz.

En yayg›n kullan›labilece¤i alanlara ge-lince k›smen belirtti¤imiz gibi, tüm bilim-lerin esas›n› teflkil eden malzeme bilimi,t›p, askeri sanayii, temiz enerji kaynaklar›,kompütür, çevre ve g›da alanlar›nda nano-teknolojinin büyük pay› alaca¤› bir keha-net olmasa gerek. Nanoteknolojide öngö-rülen üretim mekanizmalar›ndan biri, an-laml› en küçük kütle birimi olan molekü-lün biyolojik sistemlerden esinlenilerekkendi kendini tekrar etmesidir. Dikkatini-zi çekelim bu bir kendini kopyalama hadi-sesi olmay›p kontrollü olarak ayn› tip mo-leküllerin birbirine eklenmesidir. Burada-ki esas getiri biyolojik sistemlerdeki gibien düflük maliyetle, en az emekle muaz-zam miktarda üretimdir. Tabii olarak bukendi kendine tekrarlama hadisesi insan-larda biraz endifleyide beraberinde getiri-yor. Bunda hakikat pay› yüksek denebilir.Çünki bu güne kadar insano¤lunun elininde¤di¤i yerlerde do¤al düzen bozulmuflve entropi (düzensizlik) artm›flt›r. Gerçek-te bu mekanizma kendi haline b›rak›ld›-¤›nda muntazam çal›fl›rken ve kimse on-dan endifle etmezken, insano¤lunun bumekanizmay› kullanmas›ndan endifle et-

mek ne kadar manidar. Her alanda oldu-¤u gibi bu alanda da nanoteknolojinin kö-tü amaçla kullan›labilmesi (insan klonla-ma gibi) veya kontrol d›fl›na ç›kmas› (nük-leer santral facialar›) söz konusudur. Bunedenle nanoteknolojinin geliflimi düflü-nülürken emniyet mekanizmalar›n›n daparalel olarak gelifltirilmesi gerekmekte-dir. Bu meyanda düflünülen; kendi kendi-ni tekrarlayan üretim mekanizmas›nda enküçük birimlerin tabii ortamda ve kontrol-süz çevrede üremesi mümkin olmayacakflekilde gelifltirilmeli ve bu mekanizman›nifllemesi için mutlaka d›flardan enerji ihti-yac› olmas› temin edilmelidir. Mutlaka uy-gun hata tesbit kodlar› ve gayr-› ihtiyarikod de¤ifliminin önlenmesi temin edilmeli-dir. Özellikle meflhurluk hastal›¤›na tutul-mufl araflt›rmac›lara bu konuda çal›flmay›n

demek hem ifle yaramaz hemde zorunlu-luk halinde yer alt›na inme büyük bir ihti-mal dahilindedir. M. Crichton ise nanoro-botlar›n dünyaya hakim oluflunu konuedilen Prey adl› kitab›n› çoktan kaleme al-m›fl bulunuyor.

Elmas Ça¤›Periyodik tabloda atom numaras› 6

olan ve 6 harften oluflan, en kararl› dizili-flini alt›gen fleklinde yapan element olanKARBON dan bahsetmek bu yaz›n›n di¤erhedefi olarak düflünüldü. Bu element pekçok bileflik fleklinde bulunabilir. Ezcümle;yiyeceklerimizde, elbiselerimizde, kullan-d›¤›m›z kozmetiklerimizde, bindi¤imizaraban›n yak›t› olarak vs. Günlük yaflant›-m›zdaki kimyevi olaylarda da baflrolü oy-namas› ise cabas›. Tabiatta bilinen en sertmalzeme (elmas) ve çok yumuflak ve kay-gan bir faz› olan grafit çok uzun zamand›rbilinen formlar›. Öyleyse bu elementin sonteknolojiler ›fl›¤›nda keflfedilen ve gelifltiri-len yap›lar›n› tan›mak fazla abes olmasagerek. Asl›nda birtek atomdan bu kadarfarkl› yap›lar elde edilmesi üzerinde çokcadüflünülmesi gereken bir olgu. Tüm bun-lar›n görünen izah› ise karbon atomlar›-n›n biri birleri ile yapm›fl olduklar› ba¤lar-da gizli. K›saca de¤inecek olursak; son yö-rüngesinde iki elektron bulunan C atom-lar›n›n bir araya gelmesi ile oluflan yap›grafitik iken üç elektrondan oluflan yap›ise elmas olarak karfl›m›za ç›k›yor. Can›mne olacak bir tane elektronun laf›m› olurderseniz olay› anlamak mümkin olmaz.fiimdi s›ras› ile C elementinden son za-manlarda sentezlenen yeni malzeme türle-rine bakal›m.

Öncelikle 60 tane C atomunun beflgenve alt›genler baz›nda küresel bir flekildeoluflan C60 (Buckminsterfulleren veya ful-leren) den bahsedelim. Karbonun allotrop-lar›ndan biridir ve moleküler yap›da mag-net özelli¤i gösterebilmektedir. Bilindi¤iüzere magnetik özelli¤e sahip malzemelergenellikle metallerdir ve bu özellik s›cak-l›kla de¤iflir. Bilim adamlar› metalik olma-yan moleküler yap›l› magnete elektriki ya-l›tkan olmas› zorunlu parçalarda enerjikayb›n› önlemek amac› ile ihtiyaç duymak-tad›r. C60 polimerik yap›s› ile oda s›cakl›-


A⁄I ve NANO…

fiekil 5: Yüksek yo¤unluklu karbon buhar› faz›içinde k›sa aral›klarla ve fliddetli ›s› impulslar› ile

düflük karars›z/de¤iflken bas›nç alt›nda oluflan yük-sek safl›ktaki kübik elmas taneleri Al matris üzeri-

ne çökeltilmifl

fiekil 4: U¤runa canlar verilip canlar al›nan tabii elmas

fiekil 3: KNT’ün tekstil malzemesi olarak örülmesisonucu elde edilen süperkapasitör z›rh.

1 cm

¤›ndan 500 °K e kadar magnetik özellikkazand›r›labilmektedir. Her ne kadar me-talik türlerine göre 100 kat daha düflükmagnet kuvveti elde edilebilse bile bu fa-z›n sentezlenme s›cakl›k ve bas›nç faktör-leri ile iyilefltirilebilece¤i öngürülmesinebinaen ümid vaadetmektedir. fiekil 1

2. olarak 90 l› y›llar›n bafl›ndan itiba-ren sentezlenebilmifl C faz› olan ve gelece-¤in malzemesi olmay› flimdiden hakedenKarbon-nano-tüp (KNT) den bahsetmek is-tiyorum. Bu malzemeyi kullanarak dünya-dan uzaya asansör tesis etmeyi ciddi ciddiNASA bilim adamlar› taraf›ndan tart›fl›ld›-¤›n› söylersek olay›n boyutunu anlatm›flolabilir miyiz bilmem? ‹lk olarak JaponNEC firmas› laboratuar›nda Sumio Iijimataraf›ndan çok katl› KNT olarak gözlem-lenmifl ve akabinde iki y›l içinde tek katl›KNT de elde edilebilmifltir. Bilim dünyas›bu malzeme türüne gereken ilgiyi göster-di ve ciddi bir uygulama potansiyeli oldu-¤u ortaya ç›kt›. Fiziki flekli balpete¤i do-kusundaki levhan›n silindirik olarak k›v-r›lm›fl kapal› bir tüp fleklindedir. Bu alt›-gen yap› mekanik sistemlerin bilinen enoptimum yük tafl›ma yap›s› oldu¤u gerçe-¤i pek çok fleyi anlat›r. Böyle bir yap› sa-dece C elementinde de¤il di¤er bileflikler-de de rastlanmakla birlikte (BN veyaBN/C) en yayg›n flekli C elementinin ken-di bafl›na oluflturmas›d›r. fiekil 2

Molekül-kat› aras› bir yap›s› olmas› ha-sebiyle flimdiye kadar kullan›la gelen mal-zemelerden çok daha farkl› özellikler gös-termesi beklenmektedir ve bu zamanladaha da vuzuha kavuflmaktad›r. Nano vemeso ölçekli bilim alan›nda müthifl bir s›ç-raman›n efli¤inde olundu¤u muhakkakt›r.Tek katl› flekilde olabilece¤i gibi 20 ye ka-dar iç içe katlardan da oluflabilir. Tüp içe-risine C60 yerlefltirilebilmekte, ilavetenC60 parçalan›p tüp yap›s›na transformedilebilmektedir. Tüpün geometrik flekli-ne ba¤l› olarak KNT hem yal›tkan hemdeyar› iletken olabilir. Dual özelli¤in ayn›parçada düflünülmesi bile bafll› bafl›na birhadisedir. Elektronik olarak bu yap›n›ntek boyutlu “kuantum kablosu” olarakdavranmas› beklenmektedir. Eger birAFM tipi ucunda büyütülürse bir kaç nmlik bir uç elde edilmifl olacakt›r. Malzeme-nin bir reaksiyonu olarak elektrik enerji-sini mekanik enerjiye dönüfltürebilmesipek çok hassas teknoloji sahas›nda (robo-tik, optik fiber anahtarlar, sonar projek-törler, mikroskobik pompalar vs.) kritikilerlemenin efli¤i say›l›r. Fakat mevcut pi-ezolardaki s›cakl›k ve yüksek gerilim ne-

deni ile s›n›rl› olarak kullan›labilmektedir.Bu aflamada tek cidarl› KNT’lerin elektro-mekanik aktuatör olarak tabii kaslardandaha fazla gerilim oluflturabildi¤i ve yük-sek rijitlikli ferroelektirik malzemelerdendaha fazla flekil de¤iflimine dayanabildi¤igörülmüfltür. Bunun dayand›¤› nedenise, KNT’lerin tabii kas liflerinden dahaince olmas› ve ayn› hacimde daha büyükyüzey alan› teflkil etmeleridir. Elektrikiletkenli¤inin yan›nda mekanik özellikle-rinin beklenenin üzerinde performansgöstermesi ile KNT malzemesinin, düflükoperasyon voltaj›n›n zorunlu oldu¤u t›bbiameliyat aletleri, jet motorlar›n›n yükseks›cakl›kta çal›flmas› gereken hava ak›mkontrol ekipmanlar›, deniz suyu ve kangibi farkli iyonik ortamlarda aktuatörlergibi daha pekçok alternatifuygulama alanlar› gün geç-tikçe ve araflt›rmalar artt›kçaö¤renece¤e benziyoruz.

Nas›l üretildi¤ine gelince;ortamda C sa¤layacak birmadde olmal›, bundan Catomlar› enerji verilerek ay-r›flt›r›l›p bir matris üzerineçökeltilir (katalizörlü veyakatalizörsüz). Sonra Ar gaz› ile süpürü-lüp d›flar› al›n›r veya ortamda jel fleklindeoluflturup sonra filtre ederek ayr›flt›r›l›r.Kat› fazdan buharlaflt›rma lazer veyaelektrik ark yard›m› ile yap›labilir. En kü-çük çapl› KNT (4 Å) elektrik ark› ile bu-harlaflt›rma yöntemi ile elde edildi¤i raporedilmekte. ,

Gelece¤in mikroelektronik endüstrisiKNT malzemesinde sa¤lanacak ilerleme-ye dayal› olacak. Günümüzde ise Si’a da-yal› olan bu endüstri s›n›rlar›n sonuna da-yanm›flt›r. Yeni bir at›l›m ancak yeni mal-zeme ile sa¤lanabilir. Si ve C ayn› say›davalans elektronuna sahip olmas›na ra¤-men C’nun di¤er elementlerle ba¤ yapa-bilme kabiliyeti daha esnek olmas› nedeni

ile üstünlük sahibidir. Daha öncede bah-setti¤imiz gibi C sp2 (grafit) ve sp3 (el-mas) elektron dizimine sahip. ‹lk bak›fltabu iki formunda elektronik için uygun ol-mad›¤› görülür. Elmas bir yal›tkan (yük-sek s›cakl›k uygulamalar›n›n tart›flmas›zlideri) ve grafit bir yar› metaldir. Bal pete-¤i yap›s›ndaki grafitin k›vr›l›p tüp fleklinialmas› ile eletronlar›n tüp etraf›nda veaks yönünde müthifl bir momentumla ha-reketini sonuç vermifltir ki, KNT tek bo-yutlu bir metalik veya yar› iletken malze-me olarak de¤erlendirilmektedir. Bu tüpyap›s›na bir P atomu ilave ederek elektro-nik sistem oluflturulabilinir.

S›v› C bilefliklerinden (polivinil alkol)lithyum sülfat katalizörü ile jel fleklindesentezlenip daha sonra filtre edilmesi so-nucu üretilen KNT fiberleri ip flekline ge-tirilebilmifltir. fiekil 3 Bu proses tabii ipe-¤in kozas›ndan ip haline getirilmesi me-kanizmas›n›n ayn›s›d›r. , Bu sayede bili-nen en tok malzeme üretildi¤i iddia edil-mekte ve bu malzemeden dokunacak ku-mafl›n süper kapasitör yani mermi geçir-mez z›rh olarak de¤erlendirilece¤i göste-rilmifltir. Kolayl›kla üretilip dokunabilme-side ayr› bir avantaj. Ayr›ca bu yap›n›nelektromagnetik dalgalar› bloke edece¤ide varsay›lmaktad›r.

Di¤er bir C esasl› malzeme türü olanelmas›n suni olarak sentezlenip endüstri-

yel kullan›m›na bakacak olur-sak, tarih boyunca ona sahip ol-mak isteyen iktidar sahipleri(her ne kadar onlar teknolojikfaydalar›ndan bihaber olsalarda) fiekil 4 ne kadar hakl›larm›fl(!) demeden edemiyor insan.1950 li y›llarda anl›k yüksek ba-s›nç ve s›cakl›k alt›nda (bu çokyüksek miktarda bir patlay›c› ile

saglanabilir) denemeler yap›lm›fl fakat ve-rimli olmad›¤› için rafa kald›r›lm›flt›r. Fa-kat bu kadar k›ymetli bir malzemenin üre-timi çal›flmalar› hemen terk edilmesi düflü-nülemezdi. Her ikiside C olan grafitten el-masa dönüflme çal›flmalar› devam etti. Ya-p›lacak olan ifl, teorik olarak, grafitten el-masa dönüflümü sa¤l›yacak martenzitikdönüflümü (askeri dönüflüm) temin ede-cek s›cakl›k ve bas›nc› oluflturmak idi. Buaflamada tabii elmas ne flartlarda olufluyoracaba denirse; analizler sonucu tabii elma-s›n 5-6 GPa da ve 900-1400 °C s›cakl›kla-r›nda çok uzun dönem içerisinde karbo-natlar›n bol miktarda muhafaza edildi¤imagmatik ve metamorfik kayal›klarda sa-bit tutulmas› gerekti¤i anlafl›lm›flt›r. Suni


fiekil 7: CVD yöntemi ile el-de edilmifl nanokristal elmas

fiekil 6: CVD yöntemi ile suni elmas kaplama

Enerji

Plazma

Elmas Tabaka

Taban

karbonhidratlarla denemeler yap›lm›fl, fa-kat normal insan ömrüne s›¤mayacak buifllemden verimli sonuç al›namam›flt›r.Gene yap›lan çal›flmalarda çok kristalli el-mas›n tek kristalli elmasa nazaran dahasert oldu¤u anlafl›lm›flt›r. Grafitten elmaselde etme çal›flmalar›na devam edilmifl vebunda belli oranda baflar›ya ulafl›lm›flt›r.Bu çal›flmada safl›k oran› %99,995 grafitkullan›larak birkaç dakikal›k bir süre içe-risinde 2300-2500 °C te ve 12-25 Gpa ba-s›nç alt›nda kübik ve hegzagonal elmaskristallerinin 100 nm-1 mm boyutlar›ndaopak ve gri renkli taneler fleklinde olufla-bildi¤i gözlenmifltir. Elmas tanelerinin sin-terlenmesi çal›flmas› ise taneler aras› geril-me da¤›l›m›n›n heterojen olmas› nedeniy-le baflar›l› olamam›flt›r. Baflka bir çal›flma-da ise yüksek yo¤unluklu karbon buhar›faz› içinde k›sa aral›klarla ve fliddetli ›s›impulslar› ile düflük karars›z/de¤iflken ba-s›nç alt›nda oluflan yüksek safl›ktaki kü-bik elmas taneleri Al matris üzerine çökel-tilmifl ve akabinde hekzan içerisinde has-sas bir flekilde çalkalan›p matris yüzeyin-den ayr›flt›r›labilmifltir. fiekil 5 Grafit ileyap›lmaya çal›fl›lan bu ifllemler benzeryöntemlerle SiC ile de denenmifl ve bumalzemedeki Si atomlar› ayr›flt›r›l›p uzak-laflt›r›ld›ktan sonra kalan C atomlar›n›nkübik ve hegzagonal nano-mikro elmas ta-neleri fleklinde oluflumu atmosfer bas›n-c›nda ve 1000 °C aflmayan s›cakl›klardaolumlu sonuçlar vermifltir. Tüm bu ifllem-lerde en önemli nokta yap›lan ifllemin ve-rimi ve genel uygulanabilirli¤i hala tart›fl›l-maya devam edilmektedir.

Son 15-20 y›l içinde CVD (chemical va-por deposition) fiekil 6 yönteminde eldeedilen ilerleme ile suni elmas üretimindetercih edilmeye bafllam›flt›r. Demek ki,klasik düflünceden yola ç›karak elde edi-lemeyen sonuçlar yeni argümanlar geliflti-rilmek sureti ile sonuca gidilmesi daha el-verifllidir. Burada da gene ihtiyac› karfl›la-yacak yeni bir yöntem uygulanmas› zo-runlu olmakta. Rölatif olarak daha düflüks›cakl›k ve bas›nç gerektiren bu metoddaC kayna¤› H/Hidrokarbon gazlard›r. El-mas kristallerinin epitaksiyal(matris ato-mik diziliflini taklit ederek) ve/veya hete-roepitaksial olarak oluflup ve random ola-rak büyümesi fleklinde ifllem, istenen filmkal›nl›¤›na var›ncaya kadar devam ettiri-lir. fiekil 7 Çekirdekleflmenin bafllang›c›n-da matris malzemeye bias voltaj uygula-n›r. Elmas olmayan yüzeylerde çekirdek-leflmenin bafllang›c› karmafl›k ve nerdebafllad›¤›n› tesbit etmek çok zordur. ‹yon-

laflm›fl gaz kar›fl›m›nda çok karmafl›k kim-yevi reaksiyonlar pikosaniyelerde meyda-na gelir. E¤er flartlar iyi ayarlanamazsayüzeyde elmas yerine grafit oluflur. Reak-siyon esnas›nda gaz kar›fl›m› içine bellioranda bor kar›flt›r›lacak olursa (Bor ele-menti de zat›nda çok enteresan oldu¤unuiflaretle geçelim) elektrik iletken bir elmaskaplama elde edilir. Genelde elmas kap-lanm›fl parça oldu¤u gibi kullan›l›r. Çünkiifllenmesi zordur. Teknolojideki uygula-ma yerlerine bak›lacak olursa CVD yönte-mi ile elde edilen elmas›n ne kadar yayg›nbir alana hitap etti¤i anlafl›l›r. En bafltagelen uygulama sahas› ise elektronik en-düstrisidir. Malum elektronik devrelerdeçal›flma esnas›nda büyük miktarda ›s› üre-timi nedeni ile sistem yavafllar ve/veyaar›zalan›r. Elmas›n ›s› iletim katsay›s› gü-müfle nazaran 5 kat daha üstündür. Bunailaveten termal genleflme katsay›s› ise çokdüflük olmas› nedeni ile alternatifsizdir.Yüksek s›cakl›klarda çal›flan lazer diyot-

larda, mikrodalga transistörlerinde, hertürlü haberleflme aletlerinin ›s› kayna¤›yerlerinde a¤›rl›k tasarrufu, so¤utma,yüksek performans, düflük maliyeti ile ter-cih nedenidir.

Mekanik sistemlerin (plastik flekillen-dirme, yataklama, kesme vb.) en önemliproblemi olan sürtünme ve afl›nma prob-lemine karfl› da bilinen en sert malzemeolmas›ndan ötürü büyük bir kolayl›k ola-rak suni elmas karfl›m›za ç›k›yor. Bu saye-de matris malzemesi daha hafif malzemeyüzeyi sert elmasla kaplanarak a¤›rl›k ta-sarrufu ve ekonomiklik sa¤lanm›fl olmak-tad›r. Akustistik özellikleri bak›m›ndanda çok üstün özelliklere sahip olan bumalzeme bilinen en yüksek ses h›z›na sa-hip oldu¤undan yüzey akustik ekipmanla-r›nda çok yüksek frekanlaslara ç›kabilme-yi mümkin hale getirmifltir.

Gelelim bir di¤er karbon formu olanve elmas›n kardeflleri mesabesindeki mo-leküllere. Bunlara ‹ngilizcede “diamondo-id” ler ad› veriliyor. Türkçesi için bir fley-ler uydurmak zorunday›z. Bilimi üretenolamay›nca bu tür kavram bulma zorluk-lar›m›z olmas› kaç›n›lmaz oluyor haliyle.Biz flimdilik buna elmas türevleri ad›n› ve-relim. Bu türevler elmas kristallerinin Hatomu ile sonland›r›lmas› sonucu olufl-makta. ‹lk olarak J.E. Dahl ve arkadafllar›taraf›ndan ham petrol kaynak araflt›rma-lar› esnas›nda fark edildi. , Önceleri dü-flük s›n›f türevler bilinmekte iken son za-manlarda yüksek s›n›flar› (4 veya dahafazla klast›r›n birleflmesi sonucu oluflanmoleküller) tesbit edildi. Bunlara bir bak›-ma Hidrokarbon fazlar ad›da verilmekte.Klast›r adedine ba¤l› olarak düflük s›n›flaradamantane, diamantane ve trimantanediye, yüksek s›n›flar ise pentamantane,heptamantane vs diye adland›r›lmaktad›r-lar. fiekil 8

Bu elmas türevleri elmas›n varisleriolarak rijitlik, dayan›kl›l›k, s›rad›fl› pek çokkimyevi ve fiziki özellikler, kendi kendineeklenebilme potansiyelleri ile nanotekno-lojinin ve moleküler boyutlu makinalar›nimalat›n›n en gözde malzeme grubu ola-rak kabul edilmektedir. Bu demektir ki,nanoteknoloji arad›¤› malzemeyi bulmuflgörünüyor. Geriye kalan bu temel bilgile-rin prati¤e yani teknolojiye dönüfltürülme-sidir. Bu yüzden yaz›n›n bafl›nda belirtti¤i-miz gibi ça¤›m›z elmas ça¤› diye adland›-r›lsa yeridir. Çünki Nanoteknolojinin po-tansiyeli o kadar genifl ki, flu anda bunun-la insano¤lunun nerelere varaca¤›n› kes-tirmesi zor. E¤er bir konuda at›l›m, ilerle-me s›çrama gerekiyorsa birinci olmazsa ol-maz flart› bu hedefi tafl›yabilecek/teminedecek malzeme ve uygulanabilir yöntemolacakt›r. Böyle bir malzemenin ortada ol-mamas› veya yöntemin geçersiz olmas› du-rumunda mefkuurenin büyüklü¤ü, gözkamaflt›r›c›l›¤›, inand›r›c›l›¤› bir kuru/hamhayal olmaya mahkumdur.

D r . Y › l m a z Ö z m e nAIST, Nanotechnology Research Institute,

Collaborative Research Team of Mesotechnology, JAPAN

[email protected]

KaynaklarR. Feynman, Annual Meeting of APS, Caltech, Dec. 29, 1959.A. Mnyusiwalla, et.al., Nanotechnology, 14(2003)R9-R13F. Palacio, Nature, 2001, V. 413, s690L.C. Qin et al., Nature, 2000, V.408, s50K. Tsukagoshi et al., Nature, 1999, V.401, s572A.B. Dalton et al., Nature, 2003, V.423, s703K. Jiang et al., Nature, 2002, V.419, s801S.T. Lee et al., Science, 2000, V.287, s104T. Irifune et al., Nature, 2003, V. 421, s600Y. Gogotsi et al., Nature, 2001, V.411, s283J.E. Dahl et al., Nature, 1999, Nature, V.399, s54J.E. Dahl et al., Science, 2003, V.299, s96


fiekil 8: Elmas türevleri (diamondoids)

Yüksek Elmas Türevi

Düflük Elmas Türevi

Documents

haziran gelecek/pro