Katalog

MALZEME BİLİMİ ATOMLARLA NAKIŞ İŞLEMEK Malzeme bilimi altın çağına mı giriyor? Modern dünyamız malzeme biliminin başarıları üzerine inşa edilmiştir. İnternetin belkemiğini oluşturan ve bilgiyi ışık hızında aktaran fiber optik kabloları, içerisinde hiçbir yabancı madde içermeyen cam elyaflara, akıllı telefon ve tabletlerimizin dokunmatik ekranlarını, şeffaf ama elektriği ileten camlara, bataryalarını ise lityumion teknolojisini sağlayan malzemelere borçluyuz. Erdal Musoğlu ([email protected]) D enemeyanılma döneminin sonu: Thomas Edison, 1878 yılında, geliştirdiği elektrik ampulüne dayanıklı bir filaman bulabilmek için binlerce değişik malzemeyi denemişti. Sonunda karbonlaşmış pamuk ipliğinden yapılmış bir filamanın patentini almış ve buluşu büyük övgü ile karşılanmıştı. Halbuki bu iş için çok daha uygun birçok malzeme mevcuttu. Gerçekten de 19. yüzyıl sonunda, günümüze kadar kullanılagelen tungsten filaman bulundu ve Edison’un filamanı tarih oldu (ref.1). Maddeyi yeni ve yararlı biçimlere dönüştürmeyi amaçlayan malzeme bilimi (Material Science) Edison’dan beri çok yol aldı. Özellikle kuantum mekaniği, bilim insanlarının maddenin davranışını derin biçimde kavramalarını ve böylelikle araştırmalarını deneme yanılma yöntemi yerine teoriye dayandırmalarını sağladı. Yine de, yeni malzemelerin geliştirilmesi, günümüzde uzun ve pahalı bir süreci gerektirmekte ve başarı oranı çok düşük kalmaktadır. Ayrıca, yeni bir malzemenin laboratuar aşamasından endüstriyel kullanıma geçmesi ortalama 1520 yıl gibi çok uzun bir süre gerektirmektedir. Bütün bunlara rağmen, malzeme bilimi bir devrimin eşiğindedir. Gerçekten de fizikte ve bilişimde yirminci yüzyılın başından beri süren gelişmeler Edison yöntemi ile malzeme geliştirmeye son vereceğe benziyor. Her şey 1960 lı ve 70’li yıllarda Walter Kohn ve John Pople’ın kuantum mekaniği denklemlerine basitleştirilmiş ama kesin ve doğru çözümler bulması ile başladı. Buna, bilişim teknolojilerindeki üstel gelişme de eklenince, süperbilgisayarla yepyeni malzemelerin tasarlanması ve sınanmasının yolu açılmış oldu. Bu yepyeni malzeme geliştirme yönteminin ana fikri oldukça basittir: Süperbilgisayarların müthiş hesaplama BİLGİSAYARLI MALZEME TASARIMI güçleri ve hızları sayesinde aranılan yeni bir malzemenin yapı taşlarını oluşturmak için binlerce kimyasal bileşimi çok hızlı ve verimli biçimde inceleyerek elekten geçirmek ve en uygunlarını seçmek. Aranılan malzeme, örneğin, bir bataryanın elektrodu, yeni bir alaşım ya da bir yarı iletken olabilir. Malzemelerin büyük bir çoğunluğu birçok kimyasal bileşimden (chemical compound) oluşurlar ama aralarında bazıları çok basit bir yapıda da olabilir. Örneğin, elektroniğin geleceğini belirleyecek malzeme gözü ile bakılan grafen, yalnızca bir atom kalınlığında bir tabakadan oluşan saf karbondan ibarettir. Ama malzemenin karmaşıklığı ne olursa olsun, özellikleri, örneğin yoğunluğu, sertliği, parlaklığı, ışık ve elektrik iletimi, onu oluşturan atomların kuantum karakteristikleri tarafından belirlenir. Bu nedenle, bilgisayarlı malzeme tasarımının ilk adımı binlerce kuantum mekaniği hesaplaması yardımı ile yeni malzemeyi bilgisayarda (sanal olarak simülasyonla) atom atom büyüterek, yine yüzlerce ya da binlerce değişik sanal kristal yapı oluşturmaktır. Bunun ardından her kristal yapının (her bileşimin) özellikleri hesaplanır. Kristal yapıları nasıldır? Sertlikleri, deformasyona uğradıklarında davranışları nasıldır? Işık geçirgenlikleri, elektrik iletimleri nedir? gibi. Bunun ardından geliştirilen malzemenin sahip olması istenen özellikleri bilgisayara verilir, o da kısa bir süre içinde en uygun yapıdaki aday bileşimleri önerir! Böylece sentezlenecek ve denenecek malzeme sayısı binlerden onlara iner. Sürecin sonunda ise, oluşan tüm veriler diğer malzeme araştırıcılarının da kullanımına açık bir veri tabanında toplanır. Bilgisayarlı malzeme tasarımı ile yeni malzeme geliştirme ve endüstrileştirme süresinin 20 yıldan 2 yıla inmesi beklenmektedir! Büyük potansiyele sahip bu dalı desteklemek için ABD 2011 yılında ‘Malzeme Genomu Girişimi Material Genome Initiative’ programını başlattı (ref.2). Birçok federal kuruluş, üniversite ve firmanın katıldığı program gelişmiş malzemelerin bulunmasını hızlandırmak için bir altyapı kurmayı hedeflemekte. Halen, doğada bulunan toplam 35.000 inorganik bileşim ile teorik olarak oluşturulan birkaç bin yeni bileşiminin temel özellikleri hesaplanmış ve bu konuda çalışan bilim adamlarının hizmetine sunulmuştur. Ayrıca pek çok alaşımın da aynı yöntemle özellikleri belirlenmiş ve daha hafif ve sağlam malzemelerin geliştirilmesi yeni bir ivme kazanmıştır. Malzeme bilimcileri, bu yöntemle, yakın gelecekte, dünyamızı şekillendirecek yeni teknolojileri yaratacak malzemeler geliştireceklerine inanıyorlar. Bilişimde devrim yaratacak, çevre kirlenmesini önleyecek, bol temiz enerji üretecek ve yaşamımızı bugün hayal edilmesi bile zor biçimde iyileştirebilecek teknolojiler .. Bilgisayarlı malzeme tasarımının güncel hedeflerinden biri de yüksek verimli termik çiftler (thermocouple) oluşturacak malzemelerin bulunmasıdır. Bilindiği gibi, termik çiftler ısıyı elektriğe ve elektriği ısıya dönüştüren aygıtlardır. Bu konudaki araştırmalar başarıya ulaşırsa insanlığın ürettiği ve boşa giden ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülerek her alanda kullanılır hale gelecektir. Bilgisayarlı malzeme tasarımının potansiyeline birkaç örnek daha verelim: Temiz enerji teknolojilerinin birçoğu kullanılabilmek için yeni malzemeler beklemektedir. Güneş enerjisini, suyu hidrojen ve oksijene ayrıştırmak için kullanan titanyum oksit gibi fotokatalitik bileşimler, ya da yine güneş enerjisini, doğrudan araçlarda ve endüstride kullanılabilecek metanol türü yakıtlara dönüştürecek ‘yapay yapraklar’ için gerekli malzemeler. Unutulmaması gereken bir diğer önemli alan da daha hafif ve sağlam yeni malzemelerin geliştirilmesidir. Bir aracın ağırlığı %10 azaltıldığında yakıt tüketiminin %8 kadar düştüğü düşünülürse konunun önemi daha iyi anlaşılır. Malzeme biliminin açılmakta olan bu yeni çağının neler getirebileceğine son bir örnek daha verelim: Karbon değil silikon temelli bir sıvı yakıt! Daha verimli, çevre dostu ve atıkları yalnız su ve kum olan bir yakıt. Bu konu üzerinde de onlarca yıldır çalışılıyor ama süperbilgisayarla tasarlanan malzemeler bize birçok sürpriz hazırlıyor olabilirler. Referanslar: 1.www.scientificamerican.com/article/howsupercomputerswillyieldagoldenageofmaterialsscience/ 2.www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/materials genomeinitiativefinal.pdf NELER BEKLENİYOR? BAŞKA ÖRNEKLER O CBT 1410 14 /28 Mart 2014 Aranan kişilerin görünüşleri DNA örneğiyle resmedilebilecek lay yerinde bulunan bir saç teli gelecekte daha fazla bilgi verebilir. Eğer karşılaştırmak için örnek varsa zaten günümüzde de DNA ile suçlu kişi tespit edilebiliyor. Fakat Amerikalı bilim insanları şimdi kalıtım bilgilerinin yardımıyla aranan kişilerin görünüşlerinin de belirlenebileceğini gösterdiler. Yeni tekniğe dayanan görüntüler henüz net değil ama bu yakın zamanda değişebilir diyor Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden Mark Shriver. Araştırmacılar ilk adımda yaklaşık olarak altı yüz katılımcının yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde ettiler. Bunlardan yazılım programıyla yüzlerin 3D modelleri oluşturuldu. Bunların üzerlerine ise yedi bin veri noktalı bir ağ Kadın Erkek Kadın Erkek R2 Alan Kırışıklıklar Normal 0 mak. azalma 0 Çoğalma Azalan dışbükeylik Çoğ. içe doru 0 dışa doğru yerleştirildi. Bu veri noktalarının her biri için tüm katılımcıların ortalama değerlerindeki farklılıklar hesaplandı. Mesela yanak kemiklerindeki genişlikler veya burun biçimlerindeki farklılıklar gibi. Ayrıca diğer katılımcılar da görüntülerin daha çok kadına mı yoksa erkeğe mi benzediğini ve hangi etnik gruba ait olabileceklerini tahmin etmişler. Bu şekilde belirgin bir şekilde farklı yüz hatlarıyla ilişkilendirilebilecek yirmi dört gen varyantına (tek nükleotid polimorfizmleri veya SNP’ler) ulaşılmış. Tüm bu veriler daha sonra tam tersi işlemi yerine getirebilen bir bilgisayar programına yüklenmiş. Bu program bir DNA sekansından bilinmeyen bir insan yüzünün 3D modelini hesaplamış. Halihazırdaki görüntüler henüz kesin sonuç vermiyor.