Nanoteknolojinin “babası” Richard Feynman ve katkıları

Richard P. Feynman (1918–1988) 20. yüzyılın en önemli fizikçilerinden biridir. Gençlik yıllarında başından geçen serüvenleri, hayata bakışı, otorite karşı tavırları, keşfetmenin verdiği zevki insanlara aşılayabilen, bilimsel yöntemin günlük yaşamda ve akademik alanda uygulanışını en yalın şekliyle insanlara anlatabilen bir kişilik olmasıyla pek çok bilim tutkunu insanın kahramanı olmuştur.

Gerek II. Dünya Savaşı sırasında ABD, Kanada ve İngiltere tarafından Los Alamos’ta nükleer silah yapımı için başlatılan “Manhattan Projesi”ndeki çalışmaları, gerekse uzay mekiği “Challenger” felaketindeki gizemi efsanevi bir şekilde çözüşüne dek, Feynman pek çok bilimsel bilginin yeniden şekillendirilmesine katkıda bulunmuştur. Daha detaylı bilgiler edinmek için kitapları okunabilir [1], [2], [3]. Feynman aynı zamanda 1965 Nobel Fizik Ödülünü kuantum elektrodinamiğine olan katkıları, atomaltı parçacıkların etkileşimlerini ve devinimlerini çok basit görsel diyagramlarla temsil edişiyle kazanmıştır. Bu diyagramlar günümüzde “Feynman Diyagram”ları olarak adlandırılır.

Bilimin birçok alanına olan katkılarının yanında Feynman aynı zamanda günümüzün en önemli teknolojilerine yön veren “Nanoteknoloji”nin babası olarak kabul edilir. 1959 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde verdiği “Aşağıda Bir Sürü Yer Var” başlıklı ünlü konuşmasında minyatürleşme hakkında zamanının çok ilerisinde yorumlarda bulunmuştur.

Nanoteknoloji nedir?

Nanoteknoloji, maddenin atomik ya da moleküler ölçekte büyütülmesini ve bunların kontrol edilmesini temel alır. Bir nanometre birim olarak metrenin milyarda birine karşılık gelir. Genel olarak bir molekülün atomları arasındaki mesafe 0.1–0.2 nanometre arasında değişir, hücresel yaşam formlarının büyüklükleri 100 ila 10000 nanometre arasında değişir. Bu hücreler devinirler, besin üretirler ve bir sürecin gerçekleşmesine katkıda bulunurlar. Biz de dâhil olmak üzere tüm karmaşık yapılı canlılar hakkındaki bilginin çoğu (Saç rengi, göz rengi, boy gibi tüm biyolojik özellikler) son derece küçük bir alanda, DNA (Deoksiribo Nükleik Asit) adlı sarmal yapılarda bulunmaktadır. Eğer bir kimyager herhangi bir molekülü sentezlemek istiyorsa veya bir biyolog DNA hakkındaki temel soruları yanıtlamak ve yaşamı daha iyi tanımlamak istiyor ise o ölçekteki yapılara bakabilmelidir. Günümüz teknolojisinde bu mümkündür. Örneğin elektron mikroskopları atom boyutunda çözünürlük ile çalışırlar.

Bu yapıların nano ölçekteki devinimleri de belirli fizik yasalarına göre gerçekleşir. Bu yasalar bildiğimiz klasik fizik yasalarından farklıdır. Her ne kadar günlük yaşantımızdaki tecrübelerimize ve mantığımıza ters yanıtlar veriyor gibi gözükse de atomik ölçekte deneysel ve kuramsal olarak en tatmin edici sonuçları kuantum mekaniğinden alırız. Nanoteknoloji, mikrokozmos ile makrokozmos arasındaki geçiş bölgesinde yani kuantum fiziği ile klasik fizik arasındaki ince çizgide karşımıza çıkar.

Feynman'ın nanoteknoloji katkıları

Gelelim Feynman’ın bu alana katkılarına. “Aşağıda Bir Sürü Yer Var” başlıklı konuşmasında Feynman bütün “Brittanica Ansiklopedisi”nin bir toplu iğnenin başına nasıl sığdırılacağı, nasıl bir inçin (2.54 cm’nin) 64’te birinden büyük olmayan motorlar yapılabileceği hakkında yorumlar yapar. Bir toplu iğnenin başı uçtan uca bir inçin 16’da biridir. Bu alanı 25.000 kez büyütürsek ancak ansiklopedinin tüm sayfalarının alanına eşit olur. Yapılacak şey ansiklopedideki tüm yazıyı 25.000 kez küçültmektir. Bu işlemi yaparsak oluşacak küçük beneklerin çapı 8 nanometre boyutunda olur ve her bir beneğin altında en az 1000 atomluk yer olacaktır. Bu benekler fotogravür işleminin gerektirdiği büyüklüğe ayarlanabilir [1]. Öyleyse toplu iğne ucunda yeterince yer olup olmadığı tartışılmaz. Daha da ileri gidebilir ve tüm insanlığın şimdiye dek kitaplara kaydettiği bilginin tümünün elimizde tutabileceğimiz bir kitapçık ya da kart olarak yayınlanabileceğini söyleyebiliriz. Feynman konuşmasında yanan bir kütüphane olduğu zaman her kitabın kopyasını içeren, postayla bir mektuptan daha büyük ya da ağır olmayan bir kartı göndermekten bahseder.

Feynman yalnızca eğlenmek için ve insanların bu alana olan ilgilerini artırmak adına bir tür yarışma düzenlemiştir. Bir kitap sayfasındaki bir bilgiyi alıp onu elektron mikroskobuyla okunabilecek biçimde çizgisel bir ölçekte 25000’de birinden daha küçük alana yerleştirebilecek ilk kişiye ve 1/64 inç küp büyüklüğünde dışarıdan denetlenebilen, çalışan bir elektrik motoru yapabilen ilk kişiye 1000 ABD doları ödül vereceğini duyurur. Feynman iki ödülü de ödemiştir. 1960’da Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü öğrencisi William Howard McLellan (1924–2011) minyatür motoru o gününün teknolojisini kullanarak yapmayı başarmıştır. Motor 1962’de enstitü kampüsünde sergilenmiş ve daha sonra 1983’te NASA için yönetilen “Jet Propulsion Labarotory”ye verilmiştir. Feynman, McLellan’a 1960 yılında yazdığı mektubunda koşulları sağladığı için ödülü ödeyeceğini fakat motoru yapmak için yeni bir yöntem geliştirilmesine gerek kalmadığı için biraz düş kırıklığı yaşadığını belirtmiştir [5].

İkinci ödülü Stanford Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Tom Newman, Elektron Demeti Litografisi kullanarak Charles Dickens’ın İki Şehrin Hikayesi’nin ilk sayfasını 1/25000 ölçekte küçülterek yazmayı başararak kazanmıştır.

Nanoteknoloji alanını başlatma onuru Feynman’a aittir ve günümüzde düzenli bir şekilde “Feynman Nanoteknoloji Ödülü” yarışmaları yapılmaktadır.

Biz de Feynman’ın açtığı yoldan ilerleyerek kendi ifadesi ile “aşağıya inip” değişik yollarda üretim yapabiliriz. Elektrik devrelerini, motorları dolayısı ile bunların kullanıldığı birçok sistemi minyatürleştirebiliriz. Bu gibi üretimleri yapmamızı sağlayacak küçük, kendi kendine devinebilen (aynı hücreler gibi) makinalar yapabiliriz. Elbetteki sorunlar olacaktır, örneğin bir şeyleri küçültmekte termodinamiksel sınırlamalar vardır. Küçük şeylerden ısı çabuk kaçar ve ısınma sorunlarına yol açar, fakat imkânsız da değildir. Bugün bilgisayar sektöründeki en önemli gelişmeler transitörlerin oldukça küçük üretilebilmesine dayanır. Ama fiziksel sınırlara dayanmıştır. Daha hızlı bilgisayarlar üretmek için yeni teknoloji üretmek ihtiyacı doğmuştur.

Bir bilim kurgu filminden fırlamış gibi gözükse de bir cerrahı (yani nano boyutta çalışabilen bir sistem) yuttuğunuzu ve bu cerrahın vücuttaki sorunlu yere gidip oraya “baktığını”, bilgiyi bize aktardığını ve onarım yaptığını düşünün. Bunlar nanoteknolojinin sınırları içerisinde üzerinde büyük bütçeler harcanarak araştırılan çalışmalardır. Günümüzde tıpta doku mühendisliğinin temel nanoteknolojik gelişmeler ile nasıl ilerlediğine şahit oluyoruz. Yapay olarak üretilen organlara oksijen sağlayan mikroskopik cihazlardan,  biyolojik sistemlerin devamlılığını sağlayan çeşitli mikro ve nano cihazlara kadar nanoteknolojinin hayatımızda oynadığı rolü görmekteyiz.

Nanoteknoloji bir çocuk gibi önümüzde büyümektedir. Daha emekleme çağındadır. Feyman bu çocuğu doğumundan önce görebilmiş ve uzay-zaman içinde bu gerçekliğin algılanmasında büyük katkıda bulunmuştur.

Burak Cem Coşkun, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fizik Müh. Böl. öğr. [email protected] 
Prof. Dr. Mehmet Özer, İstanbul Kültür Üniversitesi, Fizik Bölümü [email protected] 

Kaynaklar:

[1] Feynman, Kesfetme Hazzı, Evrim Yayınları, 2002.
[2] Feynman, Başkalarının Ne Düşündüğünden Sana Ne, Alfa Yayıncılık, 2013.
[3] Feynman, Eminim Saka Yapiyorsunuz Bay Feynman: Merakli Bir Sahsiyetin Maceralari, Alfa Yayıncılık, 2013.
[4] «The Caltech Archives,» [Çevrimiçi]. Available: http://archives.caltech.edu/news/feynmannanotech.html . [Erişildi: 11 July 2016].
[5] Feynman, Don't You Have Time to Think?, Penguin Books, 2006.