Bu yazımda 3D atom yapısı görüntüleme hakkında bilgi vereceğim. Atom, maddenin en küçük yapı birimidir. Atomlar tüm maddelerin yapı taşlarıdırlar ve onların bir araya geliş formları bir malzemenin nasıl dayanıklı, iletken ya da esnek olacağını belirler. Los Angeles Kaliforniya Üniversitesinden (UCLA) bilim adamları hidrojen atomundan birkaç kat daha küçük olan bir metrenin trilyonda 19’u kadar bir hassasiyetle atomların tek tek üç boyutlu konumlarını görüntülemek için güçlü bir mikroskop kullandılar.
Bilim adamlarının gözlemleri ilk defa atomların yapısal dizilişlerine bağlı olarak malzemelerin makroskobik özelliklerinin anlaşılmasını mümkün kıldı. Mukavemet dersi alan arkadaşlar hatırlayacaklardır, atom yapısı bir maddenin dayanımı hakkında bilgi verir ve dezenformasyonlar da ilk olarak atomlar arasında meydana gelir. Bu dezenformasyonlar doğal olarak malzemede bulunabildiği gibi aşınma, zorlanma veya kimyasal bazı olaylar sonucunda da ortaya çıkabilirler. Bir malzemenin atom yapısını mükemmel küçük ölçekli görebilirsek ve bunu 3 boyutlu olarak analiz edebilirsek maddenin sağlamlığını hakkında daha kolay ve net bilgi elde edebiliriz. Dolayısıyla bu anlayışla elde edilen bilgiler ve gözlemler, bilim adamlarına ve mühendislere örneğin uçak bileşenlerinin ya da makro yapıların nasıl inşa edileceği konusunda rehberlik edecek.
UCLA’da fizik ve astronomi profesörü olan aynı zamanda UCLA’nın Kaliforniya Nanosistemler Enstitüsü’nün bir üyesi olan Jianwei Miao’nun öncülüğünde gerçekleştirilen bu çalışma Nature Materials dergisinin 21 Eylül 2015 sayısında ”Three-dimensional coordinates of individual atoms in materials revealed by electron tomography” başlığı ile yayınlandı.(”nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4426.html”)
100 yıldan fazla zamandır, araştırmacılar atomların üç boyutlu uzayda nasıl dizildiklerini X-ışını kristalografisi adı verilen bir yöntem kullanarak öğrenmeye çalışıyorlardı. Bu yöntem, ışık dalgalarının bir kristal içinde nasıl saçıldığının belirlenmesi ile çalışıyordu. Ancak X-ışını kristalografisi sadece milyarlarca atomun ortalama konumu hakkında fikir veriyordu ve bu bilgi atomların tek tek hassas koordinatlarını bilmemize olanak sağlamıyordu.
X-ışını kristalografisi tane biçimli atom temelinde bir malzemenin yapısını gösteremediği için bu yöntem atomları tek tek kusurlarını bize gösteremiyordu. Şöyle düşünelim; elinizde bir malzeme var ve dayanımı oldukça yüksek ve hatasız bir şekilde sistemde çalışması, kırılıp bükülmemesi gerekiyor fakat bilmediğimiz bazı noktalar da atom düzeyinde kusurlar var. Nokta kusurlar olarak tanımlanan bu kusurlar malzemeyi zayıflatabilir, malzemenin kalitesini düşürebilir. Örneğin böyle bir kusur jet motorlarındaki bileşen elemanlarındaki malzemelerde var olduğunda tehlikeli olabilir.
Bilim adamları X-ışını yöntemi yerine taramalı aktarmalı elektron mikroskopisi olarak bilinen bir yöntem kullandılar. Bu yöntem, ışık dalgaları yerine elektron demetlerini içeriyor. Hidrojen atomunundan daha küçük olan elektronlardan oluşan bir demet bir numuneyi tarar ve elektronların her bir tarama konumunda atomlarla nasıl etkileştiğini ölçer. Bu metod malzemelerin atomik yapısını ortaya çıkarır. Çünkü atomların farklı dizilişleri farklı şekillerdeki elektron etkileşmelerine neden olur.
Diğer taraftan, bu yöntem ile yani taramalı aktarmalı elektron mikroskopları sadece iki boyutlu görüntüler üretir. Dolayısıyla bu yöntemle üç boyutlu bir görüntü üretmek için bilim insanlarının bir numuneyi bir kez daha taramaları gerekiyor. Bir kaç derece numuneyi eğip, onu yeniden taramak istenilen uzaysal çözünürlüğün elde edilmesini sağlar. Bu sırada da bir bilgisayar algoritması sayesinde her bir taramadan elde edilen veriler birleştirilir. Bu yöntemin dezavantajı ise tekrarlanan taramalar demek elektron demetlerinin numune üzerinde zararlar oluşturabileceği anlamına geliyor.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın Moleküler Dökümhanesi’ndeki taramalı aktarmalı elektron mikroskobunun kullanıldığı bu deneyde bir akkor ampülde kullanılan tungsten elementinin küçük bir parçası analiz edildi. Numune 62 kez eğildi ve tungsten numunesinin bir ucundaki 3769 atomun 3 boyutlu modeli ortaya konmuş oldu.
Bu çalışma atom ölçeğinde malzemelerin önemli özelliklerinin nasıl oluştuğu ve nasıl değiştirileceği yönünde bilim insanlarına ve mühendislere yeni açılımların önünü açabilir.
Başka bir yazımda görüşmek üzere Bilimle kalın.