‘Doğal cam’ diatomlar inanılmaz işler beceriyor
Güncelleme Tarihi:
Oluşturulma Tarihi: Haziran 11, 2004 23:01
3 boyutlu ve çok küçük yapıları oluşturmak nanoteknolojinin en büyük zorluklarından biri. Diatomlar tüm zor yöntemlere son verebilir. Çünkü tek hücreli organizmalar olan diatomlar, yani algler, mikroskobik yapıları en ince ayrıntısına kadar oluşturabiliyor.
Nanoteknoloji üretimi milyarlarca dolar gerektiren bir alan; ama parlak bir fikir yakalarsanız, bu alanda çok ucuca müthiş buluşlar da yapabilirsiniz... Mark Hildebrand bunlardan biri. Laboratuvarındaki ‘elemanlar’, çok az bir paraya incelikli ve dikkatli mikroskobik yapılar üretiyorlar. Hildebrand, ‘Milyarlarcasını üretmek yalnızca bir dolara geliyor’ diyor.
Uzmanın çalıştırdığı ‘işçiler’ aslında ‘diatom’lar. Diatomlar, daha çok güzel ve özenli cam kabuklarıyla tanınan mikroskobik, tek hücreli alglerdir. Diatomlar, nanoteknolojiye, optik bilgisayarlar için mercek ve mikro-robotlar için yeni dişlilerin üretilmesi gibi, birçok uygulamada yarar sağlayabilir.
Bir nanoteknoloji uzmanı için diatomlar, ‘Tanrı’nın bir lütfu’ gibidir. Diatomlar, 3 boyutlu yapılara çabuk, ucuz ve çok büyük oranlarda dönüşmenin yanı sıra, bu işlemi oda sıcaklığında ve basıncında ve zehirli bir kimya oluşturmadan gerçekleştirirler. İnsanların ürettiği hiçbir şey onların yerini alamaz.
En zor konu
3 boyutlu ve çok küçük yapıları oluşturmak nanoteknolojinin en büyük zorluklarından biridir. Diatomlar tüm zor yöntemlere bir son verecek gibi gözüküyor. Kanada’daki Manitoba Üniversitesi'nden Richard Gordon, ‘Diatomların avantajı, 3 boyutlu kompleks yapıları doğrudan oluşturabilmesidir. Günümüzdeki teknolojinin büyük bir bölümü, 3 boyutu hem katman üzerine katman şeklinde üretebiliyor hem de hiçbiri karmaşıklıkta diatomlara henüz erişemedi’ diyor.
Bugüne kadar her biri benzersiz kabuğa sahip 70 binden fazla diatom türü tespit edildi. Bu kabukların boyutları, metrenin milyonda birinden bin katına kadar değişkenlik gösteriyor. Yapılarıysa çapraz çubuk, yıldız, üçgen ve disk şekillerinde olabiliyor. Ayrıca, birkaç nanometre çapında gözenekler içeriyorlar.
Kimi araştırmacılara göre, tüm bunlar nanoteknoloji için ‘özellikle yaratılmış.’ Valdosta Üniversitesi'nden Thomas Manning, Arachnoidiscus ile Actinocyclus adlı, gözenekli diatomları, oluşan nanokristaller için ‘buz depoları’ olarak kullanıyor.
Kristal ‘bilgi’
Manning’in ekibi, Mn12 olarak bilinen mangan asetat kümelerinin kristallerini üretmeye çalıştı. Mn12 çok ilginç manyetik özelliklere sahip. Bu yüzden de araştırmacılar, bu maddeyi bilgisayarın hafıza depolama sisteminde kullanmanın yollarını arıyor. Her bir kristal, kendisinden 100 bin kat daha büyük bir parçacıkla aynı miktarda bilgiyi barındırabiliyor. Ancak henüz bu kristalleri büyük miktarlarda üretmenin bir yolu bulunamadı.
Manning’in ekibi de henüz yeterince küçük Mn12 kristalleri elde edemedi, çünkü kullandıkları diatomların gözeneklerini çok büyüklerdi. Uzman yine de yöntemin, vanadyum oksit, titanyum oksit ve zirkonyum oksit gibi birçok diğer bileşiğin kristallerini oluşturmada büyük potansiyel taşıdığından emin. Bu bileşiklerin nano-parçacıkları zaten piyasada, ancak diatomların kullanılması hem daha küçük hem de daha çok sayıda yapılar sağlayacaktır.
Camdan yapılma
Diatomların bir diğer avantajı, kimyagerlerin tanıdık oldukları bir maddeden, camdan yapılmış olmalarıdır. ‘Deney tüpleri gibiler’ diyor Manning, ‘Temizlemek için içlerini asit veya bazla doldurabilirsiniz. Hiçbiri erimez.’
Kaliforniya Üniversitesi'nden Mary Ann Tiffany ise, diatomların kabukları olgunlaştıkça, bir dizi ara kademe yapılar oluşturduklarını saptadı. Coscinodiscus granii türün köşelerinde içi oyuk, dışarı doğru çıkıntılı altıgenler bulunur. Tiffany’ye göre ‘bunlar tam anlamıyla birer dişli.’
Cam, tabii ki dişliler ve diğer mekanik parçalar için uygun bir madde değil. Seramik kimyageri Ken Sandhage, bu sorunu çözmek için diatom kabuklarını atom atom, camdan diğer maddelere dönüştürmenin formülünü buldu.
Gordon’un ‘Yıldız Yolu Kopyalayıcısı’ olarak adlandırdığı bu yöntemde, Aulacoseira diatom kabukları, 4 saat boyunca 900 santigrat derecede, magnezyum gazı ortamında pişiriliyor. Bu işlem sonrasında kabuklar, şekillerini ve boyutları değişmeden silisten seramik magnezyum okside dönüşüyorlar. Gözenekli kabuklar, gazlarla etkileşmeye yarayacak yüksek oranda yüzey alana sahip olduklarından, böyle yapılar çok hassas sensörler oluşturabilirler.
İlaç taşıyacak
Diatom kabuklarını biyolojik olarak çevreye zarar vermeyen ve kemiğin temel yapısı olan kalsiyum fosfata dönüştürdüğünü söyleyen Sandhage, tüm bunların ilaç taşıma sistemlerinde ve implante edilen hücreleri bağışıklık sisteminden korumada kullanılabileceğini söylüyor. ‘En cazip tarafı, istediğiniz şekli bulduğunuzda bundan milyarlarcasını yapabilmenizdir.’
Öte yandan, diatomların camı nasıl bu kadar özenli yapılandırdıkları gizemini hala koruyor. Kesin olansa, bölünmeye hazırlanan diatom hücrelerinin, silisi, silisik asit şeklinde silis biriktirme kesesi olarak bilinen SDV bölümüne aldıklarıdır. Daha sonra bu silis, sonraki hücreler için yeni kabuklar haline dönüşür.
Peki SDV içindeki hangi faktörler, kabuğun son şeklini etkiler? 1999’da Almanya’dan Nils Kröger ve ekibi, Cylindrotheca fusiformis diatomunun kabuğundan, işleme doğudan katılan bir proteini ayırdı. Kröger, silafin 1A dediği bu proteini, içinde silisik asit bulunan bir tüpe aktardığında, silis kürelerinin oluştuğunu gözlemledi (Science, sayı 286).
Kröger’in ekibi, daha sonra başka silafinler de saptadı. Oldukça tuhaf proteinler olan silafinler, pozitif yüklü poliamin zincirleri, negatif yüklü sülfatlar ve fosfatlarla en az 5 değişik şeker molekülü tipi gibi bir dizi alışılmadık kimya yapılarıyla süslenmişlerdir.
Silafin üzerindeki bu kompleks diziler, moleküllerin 3 boyutlu kümeler oluşturmaları için belirli bir ‘kod’ içerir. Bu, kümeler aslında silis depolanmasını da gerçekleştirirler.
Işığı kırma yeteneği büyük
Kröger’in ekibi ekim ayında şifrenin bir kısmını çözerek silafin 1A’nın kendi başına, 700 nanometre çapa kadar silis küreler oluşturabildiğini saptadı. Diatom kabuğundan ayrılan bir diğer protein olan silafin 2A ise, kendi başına silis yapamazken her iki proteininin doğru oranlarda ve daha büyük boyutlarda birleştirilmesiyle 100 ila bin nanometre genişliğinde gözeneklere sahip silis kümeleri oluşturdukları gözlendi.
Ohio’daki Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı’ndan Morley Stone ve ekibi, yalıtılmış silafini, optik cihazların yapımında uzun zamandır kullanıyor. Polimer yapılar içine nano-kanallar açan araştırmacılar, ardından içini silafinle kapladıkları bu kanallara silisik asit gönderiyorlar. Sonuçta, düzenli cam ışını dizileri elde ediliyor ve bunların olduğu bir polimerin ışığı kırma yeteneği 50 kat artıyor (Nature, sayı 413).
1997’de Hildebrand’ın laboratuarı, silisik asidi hücreye çeken taşıyıcı proteini tanımladı. New Scientist dergisindeki yazıya göre, bilim adamı, sistemin değiştirilmesiyle taşıyıcıların germanyum gibi ilgili elementleri getirmesinin sağlanabileceğini ve böylece diatomların, kabuklarına yeni maddeler katarak yeni elektriksel ve optik özellikler yükleyebileceğine inanıyor. Ayrıca Hildebrand, bu yıl sonunda Thalassiosira pseudonana adlı diatom türünün 35 milyon DNA’lık genetik yapısını açıklamayı planlıyor.
Uzmanın çalıştırdığı ‘işçiler’ aslında ‘diatom’lar. Diatomlar, daha çok güzel ve özenli cam kabuklarıyla tanınan mikroskobik, tek hücreli alglerdir. Diatomlar, nanoteknolojiye, optik bilgisayarlar için mercek ve mikro-robotlar için yeni dişlilerin üretilmesi gibi, birçok uygulamada yarar sağlayabilir.
Bir nanoteknoloji uzmanı için diatomlar, ‘Tanrı’nın bir lütfu’ gibidir. Diatomlar, 3 boyutlu yapılara çabuk, ucuz ve çok büyük oranlarda dönüşmenin yanı sıra, bu işlemi oda sıcaklığında ve basıncında ve zehirli bir kimya oluşturmadan gerçekleştirirler. İnsanların ürettiği hiçbir şey onların yerini alamaz.
En zor konu
3 boyutlu ve çok küçük yapıları oluşturmak nanoteknolojinin en büyük zorluklarından biridir. Diatomlar tüm zor yöntemlere bir son verecek gibi gözüküyor. Kanada’daki Manitoba Üniversitesi'nden Richard Gordon, ‘Diatomların avantajı, 3 boyutlu kompleks yapıları doğrudan oluşturabilmesidir. Günümüzdeki teknolojinin büyük bir bölümü, 3 boyutu hem katman üzerine katman şeklinde üretebiliyor hem de hiçbiri karmaşıklıkta diatomlara henüz erişemedi’ diyor.
Bugüne kadar her biri benzersiz kabuğa sahip 70 binden fazla diatom türü tespit edildi. Bu kabukların boyutları, metrenin milyonda birinden bin katına kadar değişkenlik gösteriyor. Yapılarıysa çapraz çubuk, yıldız, üçgen ve disk şekillerinde olabiliyor. Ayrıca, birkaç nanometre çapında gözenekler içeriyorlar.
Kimi araştırmacılara göre, tüm bunlar nanoteknoloji için ‘özellikle yaratılmış.’ Valdosta Üniversitesi'nden Thomas Manning, Arachnoidiscus ile Actinocyclus adlı, gözenekli diatomları, oluşan nanokristaller için ‘buz depoları’ olarak kullanıyor.
Kristal ‘bilgi’
Manning’in ekibi, Mn12 olarak bilinen mangan asetat kümelerinin kristallerini üretmeye çalıştı. Mn12 çok ilginç manyetik özelliklere sahip. Bu yüzden de araştırmacılar, bu maddeyi bilgisayarın hafıza depolama sisteminde kullanmanın yollarını arıyor. Her bir kristal, kendisinden 100 bin kat daha büyük bir parçacıkla aynı miktarda bilgiyi barındırabiliyor. Ancak henüz bu kristalleri büyük miktarlarda üretmenin bir yolu bulunamadı.
Manning’in ekibi de henüz yeterince küçük Mn12 kristalleri elde edemedi, çünkü kullandıkları diatomların gözeneklerini çok büyüklerdi. Uzman yine de yöntemin, vanadyum oksit, titanyum oksit ve zirkonyum oksit gibi birçok diğer bileşiğin kristallerini oluşturmada büyük potansiyel taşıdığından emin. Bu bileşiklerin nano-parçacıkları zaten piyasada, ancak diatomların kullanılması hem daha küçük hem de daha çok sayıda yapılar sağlayacaktır.
Camdan yapılma
Diatomların bir diğer avantajı, kimyagerlerin tanıdık oldukları bir maddeden, camdan yapılmış olmalarıdır. ‘Deney tüpleri gibiler’ diyor Manning, ‘Temizlemek için içlerini asit veya bazla doldurabilirsiniz. Hiçbiri erimez.’
Kaliforniya Üniversitesi'nden Mary Ann Tiffany ise, diatomların kabukları olgunlaştıkça, bir dizi ara kademe yapılar oluşturduklarını saptadı. Coscinodiscus granii türün köşelerinde içi oyuk, dışarı doğru çıkıntılı altıgenler bulunur. Tiffany’ye göre ‘bunlar tam anlamıyla birer dişli.’
Cam, tabii ki dişliler ve diğer mekanik parçalar için uygun bir madde değil. Seramik kimyageri Ken Sandhage, bu sorunu çözmek için diatom kabuklarını atom atom, camdan diğer maddelere dönüştürmenin formülünü buldu.
Gordon’un ‘Yıldız Yolu Kopyalayıcısı’ olarak adlandırdığı bu yöntemde, Aulacoseira diatom kabukları, 4 saat boyunca 900 santigrat derecede, magnezyum gazı ortamında pişiriliyor. Bu işlem sonrasında kabuklar, şekillerini ve boyutları değişmeden silisten seramik magnezyum okside dönüşüyorlar. Gözenekli kabuklar, gazlarla etkileşmeye yarayacak yüksek oranda yüzey alana sahip olduklarından, böyle yapılar çok hassas sensörler oluşturabilirler.
İlaç taşıyacak
Diatom kabuklarını biyolojik olarak çevreye zarar vermeyen ve kemiğin temel yapısı olan kalsiyum fosfata dönüştürdüğünü söyleyen Sandhage, tüm bunların ilaç taşıma sistemlerinde ve implante edilen hücreleri bağışıklık sisteminden korumada kullanılabileceğini söylüyor. ‘En cazip tarafı, istediğiniz şekli bulduğunuzda bundan milyarlarcasını yapabilmenizdir.’
Öte yandan, diatomların camı nasıl bu kadar özenli yapılandırdıkları gizemini hala koruyor. Kesin olansa, bölünmeye hazırlanan diatom hücrelerinin, silisi, silisik asit şeklinde silis biriktirme kesesi olarak bilinen SDV bölümüne aldıklarıdır. Daha sonra bu silis, sonraki hücreler için yeni kabuklar haline dönüşür.
Peki SDV içindeki hangi faktörler, kabuğun son şeklini etkiler? 1999’da Almanya’dan Nils Kröger ve ekibi, Cylindrotheca fusiformis diatomunun kabuğundan, işleme doğudan katılan bir proteini ayırdı. Kröger, silafin 1A dediği bu proteini, içinde silisik asit bulunan bir tüpe aktardığında, silis kürelerinin oluştuğunu gözlemledi (Science, sayı 286).
Kröger’in ekibi, daha sonra başka silafinler de saptadı. Oldukça tuhaf proteinler olan silafinler, pozitif yüklü poliamin zincirleri, negatif yüklü sülfatlar ve fosfatlarla en az 5 değişik şeker molekülü tipi gibi bir dizi alışılmadık kimya yapılarıyla süslenmişlerdir.
Silafin üzerindeki bu kompleks diziler, moleküllerin 3 boyutlu kümeler oluşturmaları için belirli bir ‘kod’ içerir. Bu, kümeler aslında silis depolanmasını da gerçekleştirirler.
Işığı kırma yeteneği büyük
Kröger’in ekibi ekim ayında şifrenin bir kısmını çözerek silafin 1A’nın kendi başına, 700 nanometre çapa kadar silis küreler oluşturabildiğini saptadı. Diatom kabuğundan ayrılan bir diğer protein olan silafin 2A ise, kendi başına silis yapamazken her iki proteininin doğru oranlarda ve daha büyük boyutlarda birleştirilmesiyle 100 ila bin nanometre genişliğinde gözeneklere sahip silis kümeleri oluşturdukları gözlendi.
Ohio’daki Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı’ndan Morley Stone ve ekibi, yalıtılmış silafini, optik cihazların yapımında uzun zamandır kullanıyor. Polimer yapılar içine nano-kanallar açan araştırmacılar, ardından içini silafinle kapladıkları bu kanallara silisik asit gönderiyorlar. Sonuçta, düzenli cam ışını dizileri elde ediliyor ve bunların olduğu bir polimerin ışığı kırma yeteneği 50 kat artıyor (Nature, sayı 413).
1997’de Hildebrand’ın laboratuarı, silisik asidi hücreye çeken taşıyıcı proteini tanımladı. New Scientist dergisindeki yazıya göre, bilim adamı, sistemin değiştirilmesiyle taşıyıcıların germanyum gibi ilgili elementleri getirmesinin sağlanabileceğini ve böylece diatomların, kabuklarına yeni maddeler katarak yeni elektriksel ve optik özellikler yükleyebileceğine inanıyor. Ayrıca Hildebrand, bu yıl sonunda Thalassiosira pseudonana adlı diatom türünün 35 milyon DNA’lık genetik yapısını açıklamayı planlıyor.