Atomlar Dünya üzerindeki tüm maddenin yapıtaşlarıdırlar ve onların bir araya geliş biçimleri bir malzemenin nasıl güçlü, iletken ya da esnek olacağını belirler. Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi’nden (UCLA) bilim insanları bir 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 insanlarının gözlemleri ilk defa atomların yapısal dizilişlerine bağlı olarak malzemelerin makroskopik özelliklerinin anlaşılmasını mümkün kıldı. Dolayısıyla bu anlayışla elde edilen bilgiler ve deneyimler, bilim insanlarına ve mühendislere örneğin uçak bileşenlerinin 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.
100 yıldan daha uzun süredir, araştırmacılar atomların üç boyutlu uzayda nasıl dizildiklerini X-ışını kristalografisi adı verilen bir teknik kullanarak anlamaya çalışıyorlardı. Bu teknik ışık dalgalarının bir kristal içinde nasıl saçıldığının ölçülmesi ile çalışıyordu. Ancak X-ışını kristalografisi sadece kristal içindeki milyarlarca atomun ortalama konumu hakkında bilgi sağlıyordu ve bu bilgi atomların tek tek hassas koordinatlarını içermiyordu.
X-ışını kristalografisi bir atom bazında bir malzemenin yapısını ortaya çıkarmadığı için bu teknik tek bir atomun olmaması gibi malzemedeki bazı küçük kusurları tanımlayamıyordu. Nokta kusurlar olarak bilinen bu kusurlar malzemeyi zayıflatabilir, malzemenin kalitesini düşürebilir. Örneğin bu tür bir kusur jet motorları gibi makine bileşenlerindeki malzemelerde var olduğunda tehlikeli olabilir.
Araştırmacılar X-ışını tekniği yerine taramalı aktarmalı elektron mikroskopisi olarak bilinen bir teknik kullandılar. Bu teknik, ışık dalgaları yerine elektron demetlerini içeriyor. Hidrojen atomunun büyüklüğünden 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 teknik 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.
Gökhan Atmaca, Bilim Uzmanı (MSc.)
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Kaynak:
Nanowerk
