Skip to content
Ayarlar
Narrow screen resolution Wide screen resolution Auto adjust screen size Increase font size Decrease font size Default font size
You are here: KONULAR arrow KONULAR arrow Teknik Yazılar arrow Nano Teknoloji Elektromekanik Sistemler (NEMS) Biyosensörler
Nano Teknoloji Elektromekanik Sistemler (NEMS) Biyosensörler Print E-mail

Nano Elektromekanik (NEMS) Biyosensörler


Canlıların yapıtaşları olan biyomoleküllerin kütlelerini ölçebilir miyiz? Yapay burunlar ile hastalıkları koku yoluyla erken teşhis edebilir miyiz? Manyetik rezonans görüntülemeyi moleküler boyuta indirmek mümkün mü? Bu soruların cevabını bu yazıda arıyoruz.

Ağırlık, kütle veya kuvvet ölçümleri günlük hayatımızın bir parçasıdır. Pazara gittiğimizde kiloyla meyve, sebze alıyoruz. Ne kadar mal aldığımızı belirlemek için ise bir terazi kullanıyoruz. Ölçtüğümüz kütle ile kullandığımız terazinin kütlesi aşağı yukarı benzerdir. Daha küçük kutleleri ölçebilmek için daha hassas teraziler kullanırız. Bunlar da genelde daha küçüktür. Peki terazinin boyutlarını bir milyar kere küçültürsek ne olur? Terazimizin boyutlarını bir milyar kere küçültürsek tek bir atomun ağırlığını ayırdedebilir miyiz?

Önce tek atom veya molekülün ağırlığının ölçülmesinin ne işe yarayacağını düşünelim. Bildiğimiz gibi vücudumuz hücrelerden ve biyomoleküllerden oluşur. Hastalıkları taşıyan bakteriler veya virüsler, boyut ve bazı özellikleri açısından  hücreler  olarak  düşünülebilir. Hücrelerin işleyişinde moleküller görev alır. Genetik bilgiyi taşıyan DNA veya bundan protein üretiminde görev alan RNA ve hücrenin temel  yapı  maddesi  olan  proteinler  hep moleküllerdir.  Moleküllerin  ağırlıkları kendilerini  oluşturan  atomların  ağırlıklarının toplamına eştir. Her protein molekülü binlerce   analiz edilerek, erken teşhis atomdan oluşur ve ağırlıkları yapısına göre farklıdır. Proteinlerin hastalıklarla ilgili olan bir yapılabilir kısmının başka güzel bir özelliği daha vardır. Bunların herbirisinin severek bağlandığı eşleri olan başka proteinler vardır. Eğer bir yüzeyi A proteinin sevdiği bir molekülle kaplayabilirseniz, ortam sıvısına A proteini koyduğunuzda zaman içinde A molekülleri gidip eşlerini bulur ve onlara  bağlanırlar, ve yüzey A molekülü ile kaplanmış olur. Eğer bu kapladığınız yüzey, terazinin yüzeyi ise ve teraziniz molekülerin ağırlıklarını ölçebilecek kadar hassas ise, o zaman A molekülünün varlığını ağırlığa bakarak ölçebilirsiniz. Kütle ölçümünün en ümit verici uygulamalarından birisi budur. Nano elektromekanik sistemler adı verilen nano boyutta mekanik hareket ve bunun elektriksel ölçümler ile dış dünyaya bağlanması üzerine kurulu araştırma konusu, çok küçük terazilerin çalışma prensipleri, tasarımları ve üretimleri konusunda bize yardımcı olur. Eğer çok düşük miktarlarda biyomoleküllerin varlığını ölçebilirsek o zaman çeşitli kanser türlerini, hormonal ve genetik bazı hastalıkları çok erken safhalarda teşhis edebiliriz. Mesela sabah kalktığınızda yüzünüzü yıkadıktan sonra, cep telefonu gibi küçük bir aygıta üflediniz ve alet size “Doktora görünseniz iyi olur, A, C ve E proteinleri normalin 10 katı düzeyde. Hasta olabilirsiniz…” diye tavsiyede bulunduğunu düşünelim. Sağlık alanında bu gibi uygulamaların ne kadar değerli olacağını tahmin edebiliriz.

Image

Şekil 1: Kanserli hücreden çıkan moleküller NEMS algılayıcı dizisi ile

Nano elektromekanik sistemler konusu, genelde salınım yapan (yani titreşen), en az bir boyutu 100 nm civarında büyüklüğe sahip olan mekanik yapıları çalışır. Herhangi bir cisim, etrafında bulunan moleküllerin sıcaklık etkisi ile hareketlenip kendisine çarpması ile titreşir. Buna Brownian Hareketi adı verilir. Bu etki, boyutlar küçüldüğünde daha gözle görülür bir hale gelir. Nano boyutta mekaniğin yasaları sanki Newton kanunlarından farklıdır. Cisimler üzerlerine dış bir kuvvet etki etmese de hareket eder veya dururlar. Eğer nano boyutlu bir terazi yaparsanız terazinin kollarının yerinde bir türlü duramadığını gözlersiniz, üzerine bir ağırlık koymasanız da kollar aşağı yukarı oynaşırlar. Bu etkiyi engebeli bir arazide hızla giden bir aracın içinde hassas bir terazi ile altın bir yüzüğün ağırlığını ölçmeye çalışan bir insanın karşılaşacağı duruma benzetebiliriz. Her yer sallandığı için ağırlığı ölçmek pek te kolay olmayacaktır. İşin güzel tarafı, Brownian Hareketi termodinamik  yasalar çerçevesinde iyi anlaşılan bir etkidir. Dolayısı ile etkinin  büyüklüğünü hesaplayabilir,  ve yapılacak  terazinin  ne kadarlık bir kütleyi rahatça ölçebileceğini  tahmin edebiliriz.  Bu,  aygıt tasarımı için önemlidir.

Image

Şekil 2: Silisyum üzerine üretilmiş olan NEMS yapılar. Titreşen teller terazi olarak kullanılmaktadır. Bu yapılarla 10000 altın atomunun ağırlığını ölçmek mümkündür.

Nano-terazi’nin hassasiyetini belirleyen başka bir etken de sürtünmedir. Nano boyutta, günlük hayatta pek farketmediğimiz bazı etkiler ortaya çıkar. Mesela malzemedeki atomların aralarındaki bağların kopması veya yeni bağlar oluşması malzemedeki iç enerji kayıplarına sebep olur. Bunun  gibi kayıplar yüzünden ölçüm hassasiyetimiz sınırlanır. Bu gibi etkiler de nano-terazi tasarımında önem taşımaktadır.

Nanoteraziler genelde ağırlık değil kütle ölçer. Bunun da sebebi kütle ölçümünün ağırlık ölçümüne göre çok daha güvenilir, hızlı ve hassas olmasıdır. Bu ölçüm metodunu kabaca bir yay ucuna bağlı kütle ile yapılan salıngacın salınım frekansını ölçmek olarak tarif edebiliriz. Nano boyutlu bir yay ve nano bir kütle yüksek frekanslarda (10 MHz ila 1GHz) titreşir. Üzerine yapışan bir atom bu titreşim frekansını kaydırır. Bu frekansı ölçerek yapışan kütlenin büyüklüğünü tahmin edebiliriz.

Nano boyutta gitar telleri (yani çok ince olan iki ucu sabitlenmiş tel benzeri yapılar) nano terazi olarak kullanılabilir. Bu teller doğal yollarla (karbon nano tüpler veya silisyum nano teller gibi) ya da baskı teknikleri (elektron demet baskısı veya nano kontak baskı teknikleri) ile yapay olarak oluşturulabilir. Bu tip ölçümlerde ucuz üretim metodları (nano boyutta patates baskısı olarak düşünülebilecek nano kontak baskı tekniği gibi) nano elektromekanik sistemlerin günlük hayata girmesini kolaylaştırabilecektir.

Küçük  kuvvetlerin ölçülmesi  temel  fizik açısından da önem taşır. Kuvantum  mekaniğinin yasalarına  göre,  çok atomdan oluşan cisimlerin de aslında dalga özelliği göstermeleri gerekir. Fakat büyük boyutlu cisimlerde bu etkiyi gözlemek oldukça zordur.

Image

Şekil 3: 10-19 Newton civarındaki kuvvetlerin ölçülebilmesi halinde tek bir nükleer manyetik momentin manyetik rezonansı ölçülebilir ve moleküllerin manyetik rezonans görüntülemesi yapılabilir. Bu da moleküllerin yapısının doğrudan görülebilmesine izin verebilir. IBM Almaden laboratuvarlarında bu konuda 20 yıldır çalışılmaktadır ve geçtiğimiz yıl tek elektronun manyetik sinyali gözlemlenmiştir.

Nano elektromekanik sistemler bu konuda da büyük bir katkı sağlayabilir. Sıvı helium veya daha düşük sıcaklıklara (5 mK) inilerek ve yüksek frekanslara (GHz) çıkılarak, mekanik yapıların da kuvantum fiziğine tabi olduğunu direk olarak göstermek mümkün olacaktır. Bu koşullarda ölçüm doğrudan Heisenberg belirsizlik ilkesi ile sınırlanmış olur. Bu konuda ön sonuçlar varsa da sonuçların kesinleştirilmesi gerekmektedir.

Küçük kuvvetlerin ölçülmesini gerektiren benzer temel bir araştırma alanı da Nano Manyetik Görüntüleme konusudur. Küçük kuvvetler dediğimizde attonewton (10-18 Newton) civarındaki kuvvetlerden bahsediyoruz. Bu kadar küçük kuvvetlerin ölçümü bir başka yönden de zordur.

Mesela, Kasimir etkisi denilen elektromanyetik dalgaların kuvantizasyonu ile ilgili ve günlük hayatta gözlemlenmesi çok zor olan bir etki, burada bahsedilen hassasiyet söz konusu olduğunda, ölçülmek istenilen kuvvetlerden çok daha büyük olabilmekte ve ölçümleri sınırlayabilmektedir.

Temel fizik ve teknoloji açısından göz ardı edilemez yenilikleri vaad eden NEMS ile önümüzdeki yıllarda daha yakından tanışacağa benziyoruz.

Bilkent Üniversitesi laboratuvarlarında nanomekanik yapılarla kuvvet ve kütle ölçümünün temel sınırları ve çeşitli algılayıcılara uygulanması çalışılmaktadır. Ucuz ve güvenilir üretim teknikleri ile erken teşhiste kullanılmak üzere biyolojik algılayıcılar geliştirilmesi UNAM’ın öncelikleri arasındadır.

Kaynaklar

1. K. L. Ekinci ve meslektaşları, Nanoelectromechanical systems, Review of Scientific Instruments, 1 Haziran    2005.
2. A. M. Fannimore ve meslektaşları, Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature, 24 Temmuz 2003.
3. V. Sazonova ve meslektaşları, A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator, Nature, 16 Eylül 2004.

BİLİM ve TEKNİK NANOTEKNOLOJİ ÖZEL SAYISI

Hazırlayan :  Dr. Aykutlu Dâna
Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi
  (İletişim: This e-mail address is being protected from spam bots, you need JavaScript enabled to view it Bu mail adresi spam botlara karşı korumalıdır, görebilmek için Javascript açık olmalıdır )

 
< Prev   Next >
 

Free Page Rank Tool