Büyük hastalıkları tedavi etmek için çok küçük çözümler: kuantum noktaları

Kuantum noktaları

Başlangıç

Öncelikle “merhabalar” demek istiyorum. Aslında bu köşe yazısı fikri bende uzun zamandan beri yaşayan fakat akademik yaşamın koşuşturması içinde zaman bulamayacağımı zannettiğim bir olaydı. Bünyemin bir tarafında akademisyenliğin verdiği açıklama, anlatma ve öğretme arzusu hep beni bu konuya çekerdi. Dolayısı ile bu köşede sizlerle buluşma fikri bana inanılmaz cazip geldi ve kendimi sizlerle beraber bu satırlarda buluverdim. Bakalım satırlar bizi nereye sürükleyecek; bunu ben de merak ediyorum.

Nanoteknoloji

Benim “nanoteknoloji” kelimesi ile ilk tanışmam çok öncelere dayanıyor. Aslında doğruyu söylemem gerekirse, bu konu çok hoşlanarak başladığım ve inanması zor olsa da 1985 yılına kadar giden bir bilgisayar macerasının bana öğrettikleri ile de ilgili. Çünkü bilgisayara ilk bulaştığım yıllarda, özellikle bilgi kaydetme ve depolama için malzeme ve cihaz geliştirme aşamalarında çok büyük olan “hard disk” lerin daha küçük olanlarını yapabilme konusunda bazı yazıları, patentleri okuduğumu hatırlıyorum. Elektronikte kullanılan yongaların (chip) boyutlarının hızla küçüldüğünü merak ve heyecan ile izlediğimiz yıllarda, özellikle LED lambalar ve bununla ilgili teknolojinin de hızla geliştiğini gözlemlediğimizi ve bunlarla ilgili yayınları okuduğumuzu hatırlıyorum. Beni bilgisayara ilk bulaştıran çok kıymetli hocam Prof.Dr. İlbeyi Ağabeyoğlu ile bu meyanda konuşmalar yaptığımızı ve pek de büyük keyif aldığımız günlerde, dünyanın ileri gelen laboratuvarlarında araştırmacılar, özellikle teşhis için nanoteknolojik ürünleri çalışma persfektifleri içine almışlardı. Şimdi sizlerle nanoteknolojinin ne olduğu konusundan başlayıp yazının sıkıcı bir yöne gitmesini istemediğimden konuyu bir ters ele alışla kuantum noktalarına getirmek istiyorum.

Kuantum noktaları ve floresans

Kuantum noktaları, aslında zaten bilegeldiğimiz kristal yapılardan başka bir şey de değil; ancak bunu anlatmayı hafızamızda kolaylıkla oluşturabilecek bir akışla sizlerle paylaşmak istiyorum. Çünkü ben de ilk başlarda tam da doğru yönde bir anlama veya konuya hakim olabilme noktasında değildim. Anlar gibi olup anladığımı zannettiğim bazı hususların aslında tam da doğru olmadığını, hatta bazı noktaların zannettiğimden başka bir şey olduğunu zamanla anladım. Bunu sizinle, kendimi anlayabilmeye başladığım noktalardan ve o doğallıkla paylaşacağım. Siz de bundan sonra kuantum noktalarıyla ilgili yapmayı istediğiniz deney veya işleri buna göre uygular veya evirebilirsiniz.

İşe atomlardan başlayalım. Sizlerle şimdilik atom seviyesinden sözümüzü devam ettireceğiz, ileriki yazılarda atomaltı bazı parçacıklarda da buluşmayı, onlardan bahsetmeyi ve onlarla ilgili bazı paylaşımlarda bulunabilmeyi ümit ediyorum.

Atomlar, hepimizin çok iyi bildiği gibi genel anlamda (-) yüklü elektron, (+) yüklü proton ve yüksüz kabul edilen nötron parçacıklarından oluşurlar. Protonlar ve nötronlar atomun merkezinde atomun çekirdeğini oluştururlar. Aslında tam da bu noktada, kütlece ve nispetçe daha büyük yapıların (+) yüklü olduğunu, daha küçük olanların da doğa da (-) yüklü olduklarını hatırlatmak isterim. Örneğin yumurta hücreleri sperme göre daha büyük olduklarından (+) yüklü spermler ise (-) yüklü olarak temsil edilirler. Hemen yumurta hücresinin yüzeyine ilgi duyacak bir sistem düşünüyor ve bunu hedefliyorsak bunun yükünün (-) olması gerektiği yargısını ortaya çıkarmak çok hatalı bir düşünce olmayacaktır. İşte bu nedenden dolayı, aynı sistem burada da vardır ve atomun çekirdeği daha büyük cesamette de olduğundan, sahip olduğu protonlar nedeniyle (+) yüklü olduğu için (-) yüklü elektronları kendilerine çekerler ve elektronlar bu çekim kuvvetiyle dengelenmiş hızlı dönüşlerini atom etrafındaki yörüngelerde (orbital) kararlı kalarak sürdürürler.

Hacimsel yapısı büyük olan kristallerde elektronlar nispeten rastgele yollarda, ama belli yörüngelerde hareket ederler. Elektronların hareket halinde oldukları yörüngelerin atomun çekirdeğine olan mesafe, enerji seviyesi veya birden fazla varsa enerji seviyeleri olarak tanımlanır. Elektronlar belirli bir seviyede (çekirdekten belli bir uzaklıkta, belli yörüngelerde) ancak belirli sayıda olabilirler. Bu nedenle atomda fazla elektron varsa hepsi aynı seviyede olamayacağından, bunlar bir düzen içinde üst üste seviyelerde ve her seviyede belli sayıda elektron olacak şekilde bulunur.

Atomlar farklı seviyelere (buna enerji seviyesi de diyebiliriz) ve bu seviyeler arasında belli mesafelere, aralıklara sahiptirler. Bu enerji seviyeleri normal kristallerde, malzemelerde birbirine çok yakınlardır ve bu seviyeler arasında enerji farkı yok sayılacak kadar küçüktür. Elektronların, genelde çekirdek etrafında bulunduğu bu özel bölgeye değerlilik (valans) bandı denir. Değerlilik bandının üstünde de bir enerji seviyesi ve aralığı vardır ki, bu bölgeye bant boşluğu denir. Elektronlar bu bölgelere normal şartlarda asla gidemezler; çünkü elektronlar bu enerji seviyesine çıkabilecek ekstradan fazla enerjiye sahip değildirler. Kendi hızları sabittir ve onları sabit bir güç çekirdeğe çekmektedir yani sistem dengededir; bunu bozacak bir şey olmadığında bu sonsuza kadar böyle gidebilir.

Değerlik bandı tanımından da anlaşılacağı üzere her atom ve malzeme için bu bant boşluğu, aralığı farklıdır. Bant boşluğunun da hemen üzerinde bir seviye daha vardır ve bu enerji seviyesine de iletkenlik bandı denir. Elektronların önemli bir miktarı, hatta hemen hepsi kendilerine izin verilen değerlilik bandında bulunurlar ve bir etki olmadığında iletkenlik bandına geçemezler, bunun sebebi atomun çekirdeğinin elektronlara uyguladığı çekim kuvvetidir. Bir elektronun değerlilik bandından, iletkenlik bandına çıkabilmesi için tek yol elektronun bant boşluğunu geçmesine yetecek kadar veya daha fazla enerjiye sahip olmasıdır. Elektronlar bu enerjiyi ısı, voltaj, foton çarpması gibi uyaranlarla, yani dış bir etken/uyaran sayesinde elde edip, iletkenlik bandına sıçrama yapabilirler, böylece malzemeye iletkenlik özelliği de kazandırabilirler ve enerjisi artan bu elektronlara uyarılmış elektronlar denir.

Bir maddenin atom yapısındaki bant boşluğu mesafesi, bir malzemenin iletkenlik özelliklerinde en önemli belirleyici etkenlerden biridir. Bu aralık ne kadar büyük olursa, elektronun bu boşluğu geçmesi için gereken enerji de o kadar fazla olur. Bu nedenle, iletken özelliğe sahip malzemelerde bant boşluğu daha az iken yalıtkan malzemelerde bu boşluk daha büyüktür. Yarı-iletkenler ikisinin arasında bir bant boşluk değerine sahiptirler. İletken malzemelerde bu boşluk o kadar azdır ki, çok küçük uyarılar elektronlarını bu bantlar arasında sürekli geçişler yapacak şekilde hareketlendirebilir ve sürekli bir enerji akımı dahi oluşturabilirler. Doğada her şey sonuçta dengede/stabil olduğu haline dönmeye çalışır. Bu uyarılmış elektronlar için kararlı olduğu değerlilik bandında geri dönüştür ve kaçınılmazdır. Uyarılmış elektronun sıçradığı zaman kendi değerlilik bandındaki yeri boş kalır ve uyarılmış elektron, değerlilik bandına geri dönerken sahip olduğu bu ekstra enerjiyi boşaltmak için ışınım şeklinde bir harcama yapar ve elektron ne kadar büyük enerjiye sahip olarak uyarılmış ise (yani bant boşluğu ne kadar büyükse) geri dönerken yaydığı enerji de o kadar fazla olur. Yani elektron değerlilik bandına dönerken bazen ışık saçar ve bu uygun koşullar varsa bu floresan nesnelerin renklerini de bu sayede görürüz. Her malzemenin absorbladığı (excitation, uyarıldığı, emdiği) farklı bir enerji frekansı ve yaydığı (emission) enerji frekansı aralığı vardır, bu da floresan maddelerin uyarıldıklarında farklı renkler yaymalarının sebebidir.

Kuantum noktalarına dönecek olursak, aslında onlar yarı-iletkenlerdir ve iletkenlik özellikleri belli uyaranlar sonucu ortaya çıkar; sonuçta değerlik, iletkenlik bantları ve bant boşluklarının hepsi de prensip olarak aynıdır. Fakat kristalde uyarılmış atomla, boşluk (değerlilik bandındaki uyarılarak ayrılıp boşalttığı yeri) arasındaki mesafeye ‘Exciton Bohr Radius’ (Bohr uyarım yarıçapı, bu sabit bir değerdir ve 1913 yılında Niels Bohr tarafından 5.29177210903.10⁻¹¹ metre yani 5.29×10^-3nm veya 5.29×10^-2Angstrom olarak hidrojen atomunun çekirdeği ile elektronu arasındaki mesafe için verilmiştir) ve elektron-boşluk çiftine ‘Exciton’ denir ve bu mesafe her malzeme için farklıdır.

Normal kristal malzemelerde yarı-iletken kristalin boyutları Bohr uyarım yarıçapından çok daha büyüktür, bu exciton için yeterli bir boşluk anlamına gelir. Tam bu noktada zihninizde bir karışıklık olmaya başlamış olabilir. Şöyle düşünelim: Bizim elimizdeki kristalin içindeki elektronları iç tarafa doğru düşünecek olursak gezebilecekleri yer vardır. Ancak dışa doğru elektron yapıyı terk edip uçamayacağına göre, burada dış kristal şeklinin bir sınırlandırması söz konusudur. Yani kristal normal büyüklükte iken dışa doğru kristal şeklinin sınırlandırması varken, içe doğru rahatça dolaşılabilecek yer vardır. Peki şimdi kristali ikiye böldüğümüzü düşünelim, dış sınırlama aynı ama içe doğru gidilecek yer azaldı; tekrar ikiye bölersen daha da azalacak ve bu bölme işlemine devam edersek öyle bir küçüklüğe geliriz ki elektronlar sıkışmaya gezinecek yer bulamamaya başlar. Bu bölünen kristalde bu mesafe Bohr yarıçapına eşit (0.00529 nm) veya daha küçük hale gelirse elektronların serbestçe dolaşabilecekleri yer kalmaz; sahip olduğu enerji seviyeleri artık sürekli şekilde davranmak yerine farklı şekilde davranmaya başlar. Aralarında küçük ve sonlu ayrımlar olur. Bu ayrık enerji seviyelerine sahip duruma ‘kuantum sınırlaması/sıkışması’ (kuantum confinement) denir. Bu durumdaki malzemeler artık normal madde ve kristalinin özelliklerini göstermezler. Bu durumdaki malzemeye gösterdiği kuantum özellikleri ve boyutları nedeniyle ‘kuantum noktası’ denir.

Kuantum noktasının boyutlarının exciton Bohr yarıçapından küçük olması durumunda veya kristalin bu değere yakın bir küçüklükte olması halinde (genellikle bu durumda kristal çok küçük olunca gerçek boyutunun tayini de zorlaşır çünkü gerçekte daha küçük olsa bile hemen agrege olup birleşme eğilimindedirler) uyarılmış bir elektron alışkın olduğu bu mesafe kadar uzağa gitmek isteyecek fakat sınırlandırılmış olduğu için gidemeyecektir ve kuantum mekaniğine özgü özellikler gösterecektir. Kuantum sınırlaması terimi de buradan gelmektedir. Normal malzeme ve bunun kristallerinde herhangi bir sınırlandırma yoktur; ancak bazı malzemelerde, örneğin kuantum kuyusu (quantum well) denen yapıda tek boyutta, kuantum telde (quantum wire) iki boyutta veya kuantum noktalarında ise üç boyutta (xyz eksenlerini düşünelim) sınırlandırma söz konusudur. Kuantum noktasında üç boyutta da sıkışan elektron enerjisini üst seviyelere çıkarak harcayamadığı için dışarıdan çok küçük bir uyaran geldiğinde kinetik enerjisi artmaya başlar, ki bundan dolayı dalga boyunu kısaltır. Bunun sonucunda elektronun yaptığı ışımanın rengi değişmeye başlar ve bununla birlikte daha yüksek enerjiye sahip olduğu için yaptığı ışıma da daha şiddetli (daha parlak) olur. Yani malzemenin sahip olduğu kristalin boyutu exciton Bohr yarıçapına yaklaşırsa veya onun altına indirilebilirse, sıradışı kuantum özelliği olan malzemenin renginin değişmesi, floresan olma özelliği ortaya çıkar.

Kuantum noktalarını anlamaya başladığımızı umuyorum. Bir sonraki satırlarda kaldığımız yerden devam etmek ümidi, sevgi ve saygılarımla.