Moleküler makineler, aynı zamanda nano makine olarak da adlandırılır. Nano, kelime anlamı olarak cüce demektir ve bilim dünyası tarafından en sık kullanılan kelimelerden biridir. Nano ile tanımlanan ifadeler, bir ölçünün milyonda birini gösterir ve 1 nanometre metrenin milyarda biridir. Yani ortalama 3 altın atomunun uzunluğuna denktir. Aynı zamanda belirli uyaranlara yarı mekanik düzeyinde hareketler üreten moleküler bileşenlerindeki herhangi ayrık vaziyetteki sayıyı ifade eder. Moleküler makine kelimesi de daha genel bir ifade ile sadece makroskobik düzeyde meydana gelen işlevleri taklit eden molekülleri tanımlamak için kullanılır. Özellikle nano teknoloji biliminde moleküler makineler ifadesi çok sık kullanılır.
Moleküler makineler
Moleküler makineler biyolojik ve sentetik olarak iki kategoriye ayrılmıştır. Mekanik süreçlerin ve kimyasal olayların yer değişimlerinde yönlendirme yeteneği bulunan bu moleküler sistemler, hem nano teknolojide hem de kimyada potansiyeli yüksek iki dalı temsil ediyor. Nobel ödüllü Richard Feynman’ın bir makine ne kadar küçük yapılabilir fikri üzerine bina edilmiş olan moleküler makineler, çok küçük ve hareketli parçalardan bir makine yapabilme amacı taşır. Bunun için de maddenin en küçük birimleri üzerine yoğunlaşılmış, moleküllerin, atomların çalışma sistemleri incelenmiştir. Maddenin en küçük hali üzerine araştırmalar yapılmış, moleküllerin kovalent bağlarla elektronlarını paylaşmaları yerine mekanik bağlarla bağlanabilmeleri, iç içe geçmiş moleküller olarak enerji üretebilmelerinin mümkün olup olmadığı araştırılmıştır. Hala da çalışmalar sürmektedir.
Günümüzde Moleküler makineler
Moleküler makineler alanında günümüzde yapılan çalışmaların meyveleri oldukça küçük, hatta gereksiz de görülebilir. Fakat ilk yıllardan günümüze kadar gelen süreçte nasıl bir gelişim gösterdiğine dikkat etmek gerekir. Bunu teknolojik gelişmeler açısından ilk icat edilen elektrik motoruna benzetebiliriz. 1830’lu yıllarda bilim insanları elektrikli motoru keşfettiklerinde muhtemelen ne kadar büyük bir icada imza attıklarını bilmiyorlardı. Fakat sonrasında bu motor geliştirilmiş, çeşitlendirilmiş ve çamaşır makinesi, vantilatör ve daha binlerce teknolojik ürünün temel parçası olmuştur. Moleküler makinelerin de zaman içinde geliştirilerek yeni makinelerde, yeni malzeme çeşitlerinde, enerji depolama sistemi gibi alanlarda kullanılabileceği öngörülebilir.
Günümüzde devletler moleküler makinelerin temeli sayılabilecek nano teknolojiye büyük yatırımlar yapıyor. Endüstriyel ve askeri alanda bir dizi araştırmanın ve uygulamanın yapılabilmesi için ABD’nin 3.7 milyar dolar, Avrupa devletlerinin 1.2 milyar dolar, Japonya’nın 750 milyon dolar yatırım yaptığı biliniyor. Çünkü ilerleyen zamanlarda ilaç, elektronik, malzeme üretimi, enerji üretimi gibi çok geniş bir alanda moleküler çalışmaların olacağına kesin gözüyle bakılıyor.
Moleküler Makinelerin Bilim Tarihindeki Serüveni
Bilim dünyası, her gün hatta her saat yeni gelişmelere sahne oluyor. Dünyanın farklı noktalarında bilim insanları hummalı çalışmalar yürüterek sürecin gelişimine katkı sunuyorlar. Eğer askeri ve özel bazda bir araştırma değilse de tespitlerini kısa sürede tüm dünya ile paylaşabiliyorlar. Maddeyi de artık nano seviyede kontrol edebiliyorlar. İlk çalışmalar 1974 yılında adına nanoteknoloji denilerek başlamış ve o günden bu zamana hız kesmeden devam etmektedir. Atomlar bir araya getiriliyor ve bu sayede moleküler makineler ortaya çıkarılıyor.
Moleküler makineye doğru atılan ilk adımlardan birisi 1983 yılında Jean Pierre Sauvage tarafından gerçekleştirilmiştir. O, iki halka biçimli molekülü bir araya getirerek bir zincir halinde bağlamış ve çalışmasına da Katenan (catenanes) ismini vermiştir. Normalde moleküler atomlar ile elektronların paylaştıkları güçlü kovalent bağlarla birleştirilirken bu zincirde daha özgür mekanik bağlar sayesinde bağlanmışlardır. Bir makinenin verilen görevi gerçekleştirebilmesi birbirine uygun hareket edebilir parçalardan oluşması gerekir ki, Katenan adlı çalışmada kilitli halkalar tam da bu gereksinime yardımcı olmuşlardır.
Moleküler makineler alanında daha sonra 1991 yılında Fraser Stoddart adlı bilim insanı tarafından bir çalışma gerçekleştirilmiş ve adına Rotaksan denmiştir. Stoddart, ince bir molekül ekseninin üst kısmına moleküler halka geçirmiş ve hakanın ask boyunca hareket edebildiğini ortaya koymuştur. Stoddart, bu çalışmasından yola çıkarak pek çok incelemelere imza atmış, moleküler asansörler, molekül tabanlı bir bilgisayar çiği ve moleküler kas ortaya çıkarmıştır.
1999 yılına gelindiğinde moleküler makineler alanında başka bir devrim yapılmıştır. Bernard Feringa aynı yöne doğru sürekli dönebilen moleküler bir rotor bıçağı geliştirmiş, bu aynı zamanda ilk moleküler motor unvanını almıştır. Feringa, moleküler motorlar yardımıyla kendilerinden 10.000 kat daha büyük bir cam silindiri döndürmüş, bir de nano araç tasarımı yapmıştır.
2016 Nobel odulu Molekuler makinelere
2016 yılına gelindiğinde moleküler sistemler apayrı bir noktaya yükselmiştir. 2016 yılında Nobel Ödülü moleküler makinelere verildi. Kimya dalındaki ödül, moleküler makinenin tasarım ve üretimini başarılı şekilde gerçekleştirmiş olan Sir J. Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage ve Bernard L. Feringa adlı bilim insanlarına verilmiştir. Bu kişiler, enerji verildiği zaman kontrollü hareketler gerçekleştirerek bir görevi tamamlayabilen moleküller geliştirmişlerdir. Bu çalışmanın temelinde elbette bilgisayar alanındaki gelişmeler vardır.
Bilgisayar alanındaki gelişmeler, bilim dünyasının tamamında büyük heyecan uyandırmış ve teknolojinin minyatürleştirilmesinin nasıl bir devrim yarattığı da bu başarıyla gözler önüne serilmiştir. Çünkü 2016 Nobel Ödülünü kazanan çalışmada makineler minyatürleştirilmiş ve kimya bilimi yeni bir boyuta evirilmiştir.
Moleküler Makinelerin Bir Parçası Olarak İlk Nanocar Yarışı
2017 yılında gelindiğinde bilim insanları moleküler makineler üzerinde çalışmalarını daha da ilerletmişler ve sadece makineler tasarlamakla kalmamış, bu makinelerin performansını ölçmek için bir de yarış düzenlemişlerdir. Bu, nano düzeyde bir araba yarışıdır.
Nanocar, 2005 yılında Rice Üniversitesi’nde Profesör James Tour başkanlığındaki bir grup tarafından tasarlanan bir moleküldür. İsmine rağmen, orijinal nanocar moleküler bir motor içermiyor, dolayısıyla gerçekten bir araba değil. Wikipedia (İngilizce)
Nano araba yarışına farklı ülkelerden toplam 6 takım katılmış ve bu yarışmaya nanocar yarışı ismi verilmiştir. 6 takım bu yarışta tamamen nano moleküller ile çalışmışlar, önce seçtikleri atomlarla kendi araçlarının tasarımını yapmışlardır. Fakat bu araçlar o kadar küçük olmuştur ki sıradan mikroskoplarla görülmesi imkânsızdır. Bu yüzden de özel elektron mikroskopları kullanılmış, taramalı tünelleme mikroskopu ismi verilen cihazlar kullanılmıştır. Tasarımı yapılan araçlar aynı zamanda bu cihazlarda araçlar hareket ettirilmek zorunda kalınmıştır. Klasik araba yarışlarında olduğu gibi bu araba yarışında da bir piste ihtiyaç duyulmuş ve araç tasarımından sonra pist tasarımına geçilmiştir. Bu pistin yeterli oranda düz olabilmesi için ise altından faydalanılmıştır. Altından yapılmış bir pistte araçlar bir saç telinin yüzde biri kadar kalınlıkta bir yolda yarışmışlardır.
Klasik anlamda çok küçük bir mesafe ve yol gibi görünse de 2017 yılındaki nanocar yarışında yarışmacılar 36 saat mücadele vermişlerdir. Fakat bu yarışta kazanmak bir yana yarışı tamamlayabilmek bile büyük başarıya dönüşmüştür. Çünkü yarışmacıların bir kısmının araçları bir yerlere takılmış, dakikalarca kurtarmak için çabalamışlar. Hatta moleküllerini imha etmek durumunda dahi kalmışlardır. Yarışmayı birinci olarak tamamlayan takım 2 saatin altında pisti tamamlarken diğer bir takım 29 saatte yarışı bitirebilmiştir.
2017 yılındaki ilk nanocar yarışı moleküler makineler açısından çok büyük öneme sahiptir. Bu yüzden yarışmadaki büyük resmi yakalamakta fayda var. Çünkü normal hayatta bile bir kişini normal sürücü olabilmesi için bile defalarca pratik yapması, eğitimler alması, sınavlardan başarılı olması gerekiyor. Hatta yarış pilotu olmak için çok daha fazla egzersiz, çok daha fazla deneme yapılması gerekiyor. Hatta günümüzde motor, Formula yarışçıları artık bilgisayarlardan destek almaya başlamış bulunuyor. Bilgisayar simülatörü yardımıyla gerçek pist ve araçtaymışçasına bir deneyim yaşamaları, hangi noktada, hangi manevrayı yapmaları veya yapmamaları gerektiğini öğreniyorlar. Oysa nano teknoloji ile ilgilenen bu araştırmacılar normal gözle göremedikleri araçların hem tasarımlarını hem pistini yapmak zorunda kalıyorlar. Ardından da o araçlarını o pistte en yüksek hıza ulaştırıp bitişe ulaşmaya çalışıyorlar. Bu yüzden de çok farklı sonuçlar ortaya çıkmıştır. Üstelik bu, bir deneyim olarak kalmamış, yarışmacılar ve bilim insanları ikinci nanocar yarışını 2021 yılında yapmayı kararlaştırmışlar, bu yarışmaya da 23 takımın hazırlık yapacağını duyurmuşlardır.
Moleküler makinelerin tamamı dâhil nanocarlarda da daha profesyonellerini yapabilmek için çalışmalar aralıksız sürmektedir. Bu alanda gelişmeler sadece kimya, fizik gibi alanlarla sınırlı değildir. Üstelik en büyük pay, bilgisayar sistemlerine aittir. Yazılımın çok büyük değer kazandığı günümüzde hem kimya hem yazılımla ilgilenen araştırmacılar işi daha da farklı bir boyuta taşımış, özel bilgisayar yazılımları üzerinde çalışmaya başlamışlardır. Bilgisayarlı malzeme tasarımı gibi alanlarda çalışan bazı akademisyenler photoshop ile moleküler araçlar tasarlayan bir yazılım üzerinde çalışmakta, 2021 yılında yapılması planlanan 2. Nanocar yarışından önce bilgisayar ortamında dünyanın en küçük arabalarıyla en küçük araba yarışını organize etmek istemektedirler.
Sanat ve Moleküler makineler
Bilim geliştikçe moleküler makineler alanındaki çalışmalar daha da gelişecek ve özellikle bilgisayar yazılımlarındaki gelişmeler eşliğinde çok daha farklı alanlarda çalışmalara imza atılacaktır. Bunun en bariz göstergesi nanocarlardır. Üstelik bu işin bir boyutu da sanattır. Çünkü ortada bir tasarım vardır ve herkes veya her yarışmacı farklı tasarımlar yapmakta, kendi hayal gücünü moleküller üzerinde kullanarak ortaya bir sanat eseri de çıkmaktadır. Şu an için bu çalışmalar çok küçük, çok gereksiz görülebilir. Hatta ne işi yarayacağı konusunda fikirler ortaya atılarak hiçbir işe yaramayacağı söylenebilir. Fakat bilim, bir süreçtir. Bugün bile yapılan o tasarımlar yan yana getirilir bir zincir oluşturulduğunda yapay bir kas veya başka bir unsura dönüşebilir. Hiçbir işe de yaramayabilir. Fakat ileriki süreçte geliştirilerek çok daha farklı alanda, dünyada devrim yaratabilecek bir icada ve tasarıma dönüşebileceğini unutmamak gerekir.
Moleküler makineler alanında yapılan çalışmalarda şunu belirtmek gerekir ki; çalışmaların asıl kaynağı tabiat, çoğu zaman da insan vücududur. Çünkü insan vücudunda milyarlarca molekül vardır ve bunlar birer makine gibi çalışıyor. Biyolojik moleküler makineler olarak adlandırılan bu sistemde onlarca farklı yapı ve yol bulunuyor. Bu yollarda farklı işleyişlerde binlerce yarışçı bulunuyor. Bunların her birinin bir hareketi belli bir amaca hizmet ediyor. Her birinin bir işleyiş sistemi bulunuyor. Her biri farklı roller üstleniyor. Bunların aralıksız çalışmaları devam ederken ortaya bir insan vücut sistemi ortaya çıkıyor. Dolayısıyla çok küçük gibi görünen bu alandaki çalışmalar ilerleyen zamanlarda çok büyük ürünlerin, uygulamaların veya sistemleri parçası olabilir. Bu yüzden gelişmeleri bir süreç olarak değerlendirmekte fayda var.
Resimler:
https://www.jmtour.com/about/photos_graphics/nanocars/ – https://www.pnas.org/content/114/4/620
Yararlanabileceğiniz bir kaynak: 2016 Nobel Ödülleri’nin Sahipleri Açıklandı
