Katalog

Fizik Atomdaki elektron yörüngelerinin görüntülenmesi olanaklı mı? Kayhan Kantarlı obel Ödülü kazandıran taramalı tünelleme mikroskopu (TTM) ile atomik kuwet mikroskobunun (AKM) ıcadı, araştırmacılara bır katının yüzeyindekı atomları tek tek doğrudan görme olanağı sağlamıştır. Bununla beraber TTM ve AKM'lerinin, atomik yörüngeleri ayırt edememesi nedeniyle, bu nıikroskoplarda elde edilen görüntülerde atomlar, genel olarak tek bir çıkıntı ya da karaltı olarak gözükür. Bir katının özellıklerı orıun yüzey yapısına bağlı olduğundan AKM elektronık cihazlarda yarıiletken ularak hangi malzemelerin uygun ulduğunun belirlenmesi ve atomları istenen düzene sokma araştırmalarında önemli bir yere sahiptir. Alman fizikçi Franz Giessibl, 2000 yılında yayımlanaıı ve tartışmalara yol açan bir çalışmasmda(l) deneysel bulgulara dayanarak sılisyum atumunurı atom altı yapısının AKM ile algılanabileceğini ileri sürmüştü. Şekil l'deki resim Giessibl'in AKM ile elde ettiği silisyum yüzeyindeki atomlann görüntüsünü göstermektedir. Resimdeki atomlar üzerinde gözlenen hilal yada kanat biçimindekj aydınlık ve karanlık izlerin atomdaki elektron yörüngelerine ait olduğu değerlendirmesini yapan Giessibl'in bu değerlendirmesi, bilimciler tarafından tartışılmaktadır. Şekil 2'deki bulanık resim ise tek bir silisyum atomunıın AKM'dekı yakın çekimidir. Giessibl'in elde ettiği bu görüntüdeki düşey beyazımsı özelliklerin elektron yörungeleri olup olmadığı tartışılmaktadır. N Feng Lıu ve grubunun tek bir silisyum atomunun atomik kuvvet mikroskopisi için yaptığı söz konusu bilgisayar simülasyonunun sonuçları Şekil 3'te görülmektedir. Simülasyon, şekildeki gibi harita benzeri topoğrafık görüntüler vermiştir. Görüntülerin her biri silisyum atomuna gittikçe yaklaşan AKM'nin gördükleridir. Ust ve ortadaki şekillerde atom tek bir zırve yada nesne olarak gözükmekte, fakat mikroskobun atoma daha çok yaklaşması halinde atomdaki elektron yörüngelerini ya da kanatlarını temsil eden iki zirve ortaya çıkmaktadır. Giessibl'in çalışmasına gelen eleştirilerden biri "silisyum atomlarındaki yörünge görüntülerinin atomik kuvvet mikroskobunun ucundakı atomlarla mikroskopun taradığı silikon atomları arasmdaki etkileşmeye ait eksik matematiksel tanımlamadan kaynaklanabileceği" dan şüphe etmediğini" belirtmiş, ancak bunun "Giessibl'in görüntülerinin gerçekten atomik yörüngeler olduğunu kanıtlamasının gerekli olmadığını" da eklemiştir. Fizik Profesörü ve atomik ölçekte görüntüleme uzmanı Clayton VVillliams "yapıyı yörüngeler ölçeğinde görmenin ilkesel olarak olanaklı olduğunu, bunun olanaksız olduğuna dair temel bir zorunluluk bulunmadığını söylemiştir. Utah Üniversitesi Fizik Bölümü Başkanı Z.Valy Vardeny ise "insanların atomlann görülebileceği hakkında tarihsel olarak kuşkucu olduğunu, fakat şimdi bunun olabileceğinin kanıtlanmış olduğuna" işaret etmiştir. MALZEME BİLİMİNE ETKİLERİ Liu, atomik yörüngelerin görüntülenmesi sıradan bir işlem haline geldiğinde AKM kullanımının daha geniş alanlara yayılacağını belirtmekte ve bunun yol açacağı gelişmeleri şöyle sıralamaktadır: Bazı endüstriyel kimyasal reaksiyonlar bir metal yüzeyinde olduğu zaman hızlandırılmış olur. Yani bazı metal yüzeyleri kimyasal reaksiyonlar için katalizör görevi görür. Eğer AKM'ler metal yüzeyindeki atomik yörüngeleri de görüntüleyebilirse, mühendisler atomları ve atomlar arasındaki bağları daha ayrıntılı olarak görebilecekler ve böylece geniş çeşitlilikteki imalat prosesleri için daha iyi metal ve katalizör tasarımı kolavlasmıs olacaktır. UTAHTAN DESTEK Bu arada Utah Üniversitesi araştırmacıları 2 Haziran 2003 te "atomik kuvvet mikroskopunun atomdaki elektron yörungelerinı kanat biçimli izler halinde görüntüleyebileceğini" açıkladı (2). Malzeme bilimı profesoru Feng Liu tarafından yürütülen bu yeni çalışmanın sonuçları, "atomik kuvvet mikroskobunun silisyum atomunun atom altı yapısını algılamak için kullanabileceğıni" ileri sürerek, tartışmalara yol açan Giessibl'e önemli bir bilimsel destek sağlamış oldu. Liu, Utah Üniversitesi Yüksek Performans Hesaplama Merkezi'nde yaptıkları kapsamlı hesaplar sonucunda "bir yüzeyin (silisyum) AKM ile görüntülenmesi halinde, sadece atomlann değil, atomik yörüngelerin de gözlenebileceğinın" ortaya çıktığını belirtmektedir. Liu'nun yüksek lisans öğrencısi Minghuang Huang ve Yüksek Performans Hesaplama Merkezi'ııden matematıksel kimyacı Martin Cuma ile birlikte yaptığı bu çalışma yayımlanmak üzere Physical Review Letters dergisine kabul edilmiştir. Çalışma silisyum atomları yüzeyinin AKM ile taranmasının bilgısayar simülasyonudur. Araştırmacılar, atomun etrafında dolanan elektronlardan kaynaklanan kuvvetlerin algılanmasıyla yörüngeleri görmenin olanaklı olduğu sonucuna varmışlardır. Süperbilgisayarda yaptıkları hesaplar AKM'nin bir atomun yörüngelerini algılayabilmesi için mikroskop ucunun taranacak atoma 23 angström'e, yani atomun çapından dalıa küçuk bir mesafeye kadar yaklaşması gerektığini göstermiştir. şeklmde idi. Liu. yaptıkları hesaplarla taranan yüzeydeki silisyum atomları ile mikroskop ucu arasındaki etkileşmeler için eksiksiz bir simülasyon gerçekleştirmiş olduklarından bu eleştirinin aşıldığım söylemektedir. Bazı bilimciler Giessibl'in silisyum atomlarında gözlediği hilal biçimindeki görüntülerin elektron yörüngeleri olmadığını. bunların yapay ya da mikroskobu kullanma işleminden ileri gelen doğal olmayan görüntüler olduğunu ileri sürmüşlerdir. Liu, yaptıkları simülasyon çalışmasının doğrudan bu eleştirıyi ortadan kaldırmayabileceğini, fakat birisi onları şimdiden goruntülemış olsun ya da olmasm, atomik yörüngelerin ilke olarak görüntülenebileceğini kanıtladıklarını söylemektedir. Utah Üniversitesi araştırmacılarının elde ettikleri simülasyon bulguları hakkında görüşlerini açıklayan Giessibl, silisyum ve diğer malzemelerin atom altı özelliklerini ortaya çıkarmak ıçın AKM'yi kendi laboratuvarlarında 2000 yılından beri defalarca kullanıldıklarını, atom altı ayırma gücü üzerine yapılan teorik ve deneysel çalışmalann atom ve atom altı ölçeğinde yeni araştırma alanları açarak nanobilime güvenilir bir olanak sunduğunu belirterek Liu'nun çalışmasının buna son derece önemli bir katkı sağladığını ifade etmiştir. Sadece atomları değil, atomdaki elektron yörüngelerini de görme yeteneği, Liu'nun "malzemeleri ve hatta cihazları atom " yapma olarak tanımladığı nanoteknoloji alanında önemli gelişmeler sağlayacaktır. AKM'ler bugün için malzemenın nerelerinde atom eksikliği olduğunu göstererek defektlerı ortaya çıkarabiliyor. Eğer bu mikroskopların elektron yörüngelerini görmesi sıradan bir işlem haline gelecek olursa, o zaman diğer atomlann defekt çevresinde birbirlerine nasıl bağlandıklarını ortaya çıkarabilecektir. Geleneksel AKM'ler atomları sadece küreler olarak görür ve bu yüzden elementleri ayırt edemez. Farklı element atomları farklı yörünge konfigürasyonlarına sahiptir. Öyleyse AKM'lerinin yörüngeleri algılama yeteneği, yalnızca farklı kimyasal elementleri ayırt etmesini değil, fakat aynı zamanda atomlar arasındaki kimyasa! bağların ayrıntılarını ortaya çıkarmayı da sağlayacaktır. Türk Fizik Derneği İzmir Şubesi Yönetim Kurulu Başkanı eposta: [email protected] Bu yazı Utah Üniversitesi tarafından yayınlanan 2 Haziran 2003 tarihli haber bülteninden yararlanarak hazırlandı. (http://www.utah. edu / unew s/releases/03/jun/orbitals.html). KAYNAKLAR 1. "Subatomıc Keatures on the Sılicon (111H77) Surface ()bserved by Atomıc Force Mıcroicopy", Kranz J. Gıessıbl, S llembaılıer, H. Bıelefeldt, arıd J. Mannhart. Science 289, 422(2000) 2. "Observınıî the 'Wıngs' of Atunıs", Unıversıty of IHJII Nevv.s Keleasei. June 02. 2003 UTAH BULGULARININ YANKILARI Liu'nun araştırmasında görev almamış olan Utah Üniversitesi araştırmacıları ise, Giessibl'in gerçekten atomik yörüngeleri görüntüleyıp gorüntüleyemediğini bilemedıklerini, fakat Liu'nun çalışmasının bır atomik kuvvet mikroskopunun bunu teorik olarak yapabileceğini gösterdiğıni belirtmişlerdir. Utah Üniversitesi Yüksek Performans Hesap Merkezi direktörü Fizikçi Julio Facelli, "Liu'nun yörüngelerin görüntülenebileceği sonucuna varmasının haklılığın890/19 10 Nisan 2004 EVET, GÖRÛNTÜLENEBİLİR Mikroskop ucu yörüngeler tarafından uygulanan vuvvetleri bu uzaklıkta algılamaya başlamaktadır. (Bir ıngström, metrenin 10 milyarda biridir. Bir atomun bü/üklüğü 3 angström, bir kâğıt yaprağın kalınlığı ise yakaşık 1 milyon angströmdür.