Bilimkurgu ve Bilim Arasındaki Eşsiz İlişki: Demir Adam’ın Zırhı Gerçek mi Oluyor?
DNA ve camdan yapılan ‘Demir Adam’ malzemesi çelikten dört kat daha güçlüdür.
DNA ve silikanın eşsiz kombinasyonu, yoğunluk açısından bilinen en güçlü malzemedir (ancak bununla bir takım elbise inşa etmek için çok çalışmak gerekir).
Bilim kurgunun en güzel yanı, gerçek bilime ve teknolojik yeniliklere ilham verebilmesidir. Jules Verne’in Denizler Altında 20.000 Fersah’ı denizaltı araştırmalarını teşvik etmiştir. William Gibson’ın Neuromancer’ı internetin gelişimini, Neal Stephenson’ın Snow Crash’i ise Metaverse’i etkilemiştir. Douglas Adams’ın Otostopçunun Galaksi Rehberi e-kitap fikrini ortaya attı.
Bilimkurgunun gerçek hayatı nasıl etkileyeceğini kim bilebilir? Uçan arabalar. Uzay şehirleri. Demir Adam kıyafetleri.
Aslında, sonuncusu şimdiden atılımları teşvik etti. Columbia Üniversitesi, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Connecticut Üniversitesi’nden araştırmacılar, Tony Stark’a layık bir malzeme yaratıp yaratamayacaklarını görmek için kısa süre önce bir araya geldi. Geliştirdikleri malzeme çelikten dört kat daha güçlü ve beş kat daha hafif. Üstelik sadece cam ve DNA kullanıyor.
DNA, yapıştırma.
Hafif malzemeler mühendisler tarafından tercih ediliyor çünkü performans ve verimliliği artırırken üretim maliyetlerini düşürüyorlar. Sert malzemeler de mekanik kullanım streslerine dayanma kabiliyetleri nedeniyle değerlidir.
Bu özellikleri dengeleyen bir malzemenin bulunması, çok çeşitli uygulamalara ve iyileştirmelere olanak sağlayacaktır. Örneğin, daha hafif araçlar daha ağır olanlara göre daha az yakıtla çalışabilir, ancak yine de güvenliği sağlamak için yeterince güçlü olmaları gerekir. Ne yazık ki, güç ve hafiflik genellikle çatışır. Daha güçlü malzemeler daha ağır olma eğilimindedir ve daha hafif malzemeler daha az dayanıklı olma eğilimindedir.
Üretim işleri daha da karmaşık hale getirir. Seri üretim, karmaşık moleküler yapıya sahip malzemelerde kusurlara ve hatalara yol açabilir. Cam bunun en iyi örneğidir. Cam kolayca kırıldığı için kırılgan olarak algılanır, ancak bunun nedeni mikro çatlaklar ve eksik atomlar gibi kusurlar ve safsızlıklardır. Araştırmacılara göre, mükemmel bir santimetre küp cam ’10 ton basınca dayanabilir’.
Iron Man filmlerinin büyük bir hayranıyım ve Iron Man için nasıl daha iyi bir zırh yapabileceğimi hep merak etmişimdir. Demir Adam’ın hızlı uçabilmesi için çok hafif olması gerekiyor. Aynı zamanda Iron Man’i düşman saldırılarından korumak için çok sağlam olmalı” diyor Columbia Üniversitesi’nde nanomalzeme bilimcisi ve çalışmanın yazarı Oleg Gang.
Ekip, kusurların sayısını azaltmak için yeni malzemeyi nano ölçekte yapmaya karar verdi. Çünkü bu onlara hassas moleküler organizasyon üzerinde daha fazla kontrol sağlayacaktır. Ama önce molekülleri düzenlemek için bir çerçeveye ihtiyaçları vardı ve iskele olarak DNA seçildi.
DNA, bu tür küçük ölçekli yapıların oluşturulmasında çeşitli avantajlara sahiptir. İlk olarak, DNA doğada zaten mevcuttur ve yaygın olarak bulunmaktadır. Dahası, DNA monomerlerden (nükleotidler olarak adlandırılır) oluşan bir polimerdir. Bu da DNA’yı kauçuk ve polyester gibi günlük sentetik polimerlere benzer şekilde esnek ve esnek bir malzeme haline getiriyor. Ve bu özellikler onu nano yapılar inşa etmek için güçlü bir çerçeve haline getiriyor.
Bu çerçeveyi oluşturmak için araştırma ekibi, adını Japon origami tekniğinden alan ve ‘DNA origami’ olarak bilinen bir teknik kullandı. Ekip, büyük DNA ipliklerini (‘iskele iplikleri’ olarak adlandırılır) daha kısa DNA iplikleri (‘zımba iplikleri’ olarak adlandırılır) ile sıvı bir çözelti içinde birleştirdi. Zımba teli, iskele teline belirli bir konumda bağlanıyor. Bağlandıktan sonra, zımbalar iskele zincirini katlar ve sanatsal adından da anlaşılacağı gibi, bu katlama sonunda istenen şekle ulaşır. Bu durumda, bu bir oktahedrondur (bir araya getirilmiş iki piramide benzer üç boyutlu bir şekil). Sekiz yüzlüler, kafes olarak bilinen tekrar eden bir desen oluşturmak için noktalarından birleştirilir. DNA’nın bir başka avantajı daha vardır: DNA kendi kendini birleştirir. Hidrojen bağları DNA bazlarını ve baz zincirlerini birbirine bağlar. Brookhaven’da doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın baş yazarı Aaron Michelson, “Araştırmacıların tek yapması gereken çözeltiyi ısıtmak ve tavlamaktı” diyor: “DNA’yı daha kararlı ve karmaşık 3D iskeleler oluşturmak için programlanabilir bir nanomateryal olarak kullandık”. “Buna odaklandık çünkü DNA’nın katı malzemelere gömüldüğünde mekanik olarak nasıl çalıştığını keşfetmek istedik”.
Nanostres testi
Ekip daha sonra DNA kafesini ince bir silika cam tabakasıyla kapladı. Cam tabaka sadece beş nanometre kalınlığında ya da bakış açınıza bağlı olarak birkaç yüz atom kalınlığında. Kafesi ultra hafif tutmak için ekip kafesin içindeki boşlukları doldurmamayı tercih etti.
Gang şunları ekledi: “Nano ölçekli yapılandırmanın cam gibi sıradan malzemelerin mekanik özelliklerini nasıl geliştirebileceğini keşfetmekle çok ilgilendik.
Elbette bu ölçekte yeni malzemelerin özelliklerini evrensel test makineleri gibi geleneksel yöntemlerle test etmek mümkün değildi. Bu nedenle araştırmacılar nano indentasyon adı verilen bir teknik kullandılar. Temel olarak, DNA cam malzemeye küçük bir sonda ile basınç uygulanıyor ve malzemenin davranışı bir elektron mikroskobu kullanılarak ölçülüyor. Testler malzemenin akma dayanımının bir ila beş gigapaskal (bir milyar paskala eşdeğer bir basınç birimi) arasında olduğunu gösterdi. Bu arada gigapaskal, jeologlar tarafından Dünya’nın mantosu içindeki muazzam basıncı ölçmek için sıklıkla kullanılan bir birimdir.
Yeni malzememiz çelikten beş kat daha hafif ve dört kat daha güçlüdür. Dolayısıyla cam nanolattisimiz Demir Adam’ın zırhını geliştirmede diğer yapısal malzemelerden çok daha üstün olacaktır.”
Çalışmanın yazarı ve Connecticut Üniversitesi’nde malzeme bilimci olan Seok-Woo Lee şunları ekledi: “Belirli bir yoğunlukta, bizim malzememiz bilinen en güçlü malzemedir”. Ekip bulgularını Cell Press tarafından yayınlanan hakemli, açık kaynaklı bir dergi olan Cell Reports Physical Science’da yayınladı.
Giyinme zamanı.
Ancak, bu malzemeden Demir Adam kıyafetleri yapmaya başlamaları biraz zaman alacak. Araştırmacılar, ağ ne kadar büyükse, kusurlara o kadar yatkın olduğunu buldular. En yaygın olanları, yapıdaki boşluklar, boşluklar ve güç kaybıydı. Buna ek olarak, DNA’nın stabilitesini korumak için kullanılan tampon çözeltisi karbon, fosfor ve nitrojen gibi safsızlıklarla kirlenmiş olabilir.
Yapay 3D iskelet nanomalzemeleri oluşturmak ve bunları mineralize etmek için DNA kullanma yeteneği, mekanik özelliklerin mühendislik uygulamaları için büyük bir potansiyel sunmaktadır. Ancak, bu teknolojinin pratik kullanıma sunulabilmesi için hala çok sayıda araştırmaya ihtiyaç var” diyor Gang.
Ekip, bu teknolojinin gelecekte daha da güçlü malzemeler yaratmak için kullanılıp kullanılamayacağını görmek istiyor. Bir olasılık, farklı kafes konfigürasyonları kullanarak nanoyapılar oluşturmak. Bir diğer olasılık ise kafesi karbür seramikler gibi başka bir malzemeyle kaplamak.
Bu nano yapılar Demir Adam ya da Karınca Adam boyutlarına ulaşmasa bile, süper iletkenler ya da pil katotları gibi geleceğin teknolojilerinin yaratılmasına ya da mevcut teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Bilim ve bilimkurgu arasındaki ortaklık için bir zafer daha.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Bilimkurgu ve Bilim Arasındaki Eşsiz İlişki: Demir Adam’ın Zırhı Gerçek mi Oluyor?
Kelebekler Bilim İnsanlarının Kanseri Tespit Etmesine Nasıl Yardımcı Olabilir?