Süperiletken ve Nanoteknoloji Hocalara geldik
Süper İletken Maddenin Temel Özellikleri
Elektrik santrallerinden üretilen elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımı sırasında elektrik şebekesinde kullanılan tellerin direncinden dolayı amaç dışı ısıya dönüşen elektrik enerjisi oldukça fazladır. Elektrik akımı iletiminde kayıplar azaltılırsa ciddi tasarruflar elde edilir. Böyle bir iletim ancak direnci sıfır olan malzemelerle mümkün olur. Belirli bir sıcaklık değerinde elektrik akımına karşı direnç göstermeyen maddelere süper iletken madde denir. Süper iletkenlik, herhangi bir iletkenin elektrik direncinin kritik bir sıcaklık (süper iletkenliğe geçiş sıcaklığı) ve kritik bir manyetik alan altında tamamen ortadan kalkmasıdır. Süper iletkenlikle ilgili çalışmalar ilk kez 1908 yılında Hollandalı Fizikçi Heike Kamerlingh Onnes’in (Heke Kemirlin Ons) helyumu sıvılaştırması ile başlamıştır. Sıvı helyumun üretilmesiyle düşük sıcaklıklarda katı maddelerin fiziksel özelliklerini inceleme imkânı sağlanmıştır. Heike Kamerling Onnes, bu alandaki çalışmalarıyla 1913 yılında Nobel Ödülü almıştır. Bu keşiften sonra çok sayıda element, alaşım ve bileşiklerin düşük sıcaklıkta iletkenlikleri incelenmiş, hangi katıların hangi kritik sıcaklıkta süper iletken olduğu tespit edilmiş ve bu maddelerin özellikleri incelenerek endüstriyel kullanıma yönelik çalışmalar yapılmıştır. Oda sıcaklığında iyi iletken olarak bilinen demir, gümüş, altın ve bakır soğutulduğunda süper iletkenlik gösteremez. Bilinen süper iletkenlerin bir çoğu alaşım ve bileşiklerdir. Süper iletkenlerin kritik sıcaklıkta sıfır direnç göstermelerinin (Şekil 6.6) yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırt edici özelliklerindendir. Bir mıknatıs, kritik sıcaklığın altında bulunan bir süper iletkeni ters kutuplu bir mıknatıs gibi iter (Görsel 6.23).
Manyetik alanın süper iletken yapı içerisinden dışlanması olayı Meissner olayı olarak bilinmektedir. Bu dışlama uygulanan manyetik alanın çizgilerini süper iletkenin yüzeyinde birbirine daha yakın hâle getirerek süper iletken içerisinden uzaklaştırır (Şekil 6.7). Süper iletkenlik için önemli bir diğer parametre de kritik manyetik alandır. Bu kritik manyetik alan kritik sıcaklık ile uyum içindedir. Süper iletken malzemeler, kritik manyetik alan durumuna göre I. tip ve II. tip süper iletkenler olmak üzere ikiye ayrılır. I. tip süper iletkenler, sadece belirli bir kritik manyetik alan değerinin altında, II. tip süper iletkenler, alt ve üst kritik alanlar olmak üzere iki kritik manyetik alan değerinde süper iletkenlik davranışı gösterir.
Süper İletkenliğin Teknolojideki Kullanım Alanları
Süper iletken maddelerin temel özellikleri, onların teknolojik açıdan ön plana çıkmalarını sağlar. Süper iletkenler, elektrik akımına karşı sıfır direnç göstermesi ve kayıpsız olarak elektrik akımını iletmesiyle birlikte elektrik akımının taşınmasında, depolanmasında, güçlü mıknatısların yapılmasında ve elektrikle çalışan hassas cihazların yapımında önemli bir yer tutmaktadır. Neredeyse ışık hızına yakın sinyal taşıma kapasitesine sahip olması ise haberleşmede, savunma sanayinde ve mikrodalga teknolojisinde önem arz ederken elektronik devrelerde ve cihazlarda ısınma problemini de ortadan kaldırmaktadır. Süper iletken malzemelerin manyetik özellikleri de elektriksel özellikleri gibi teknolojide önemli bir yere sahiptir. Süper iletkenlerin manyetik alanları dışarılamaları sonucunda manyetik bir itme kuvvetinin oluşması hızlı trenlerin (MAGLEV-Manyetik Levitasyon Treni) temelini oluşturmaktadır (Görsel 6.24). MAGLEV trenleri özel bir ray üzerinde (manyetik yastık) trenin her iki ucunda bulunan süper soğutmalı süper iletken mıknatıslar sayesinde yükseltilir. Tren hareket ettiğinde raydaki iletkenlere verilen elektrik akımı bir itme gücü oluşturur ve tren hızlanır. Tren 100 km/h hızı aştığında tekerlekleri içe katlanır ve havalanmaya başlar. Sürtünmelerin en aza düşürüldüğü ortamda tren çok yüksek hızlara ulaşabilir. Tren durdurulmak istendiğinde ise akımın yönü ters çevrilir ve zıt yönde bir itme gücü ile durdurulur. Süper iletkenler sayesinde yüksek manyetik akım yoğunluğunun elde edilebilmesi manyetik rezonans (MR) görüntüleme cihazlarının (Görsel 6.25) geliştirilmesinde etkili olmuştur.
Nanobilimin Temelleri
Nanoteknolojinin ölçeği olan bir nanometre (nm) metrenin milyarda birine (10-9 m) eşittir. Nano kelimesi Yunancada “cüce” anlamına gelen “nanos” kelimesinden gelmektedir. Kuantum fiziğinin günlük hayatta işlevsellik kazanma sürecinde önemli bir yere sahip olan nano yapılar, 1-100 nm arasındaki yapılardır. Bu boyutlarda sistemlerin fiziksel davranışlarında farklı özellikler gözlenir. Bu özellikleri kuantum fiziğinin ilkelerinden yararlanarak açıklayan bilim dalına nanobilim denir. Nanobilimden elde edilen sonuçların hayatın içindeki uygulamaları olan nanoteknoloji ise yeni yapılar tasarlanmasını ya da bu yapılara yeni özellikler kazandırılıp yeni işlevlerde kullanılmasını sağlar. Yarı iletken malzemelerin üretiminden bu yana günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlar ve malzemeler küçültülmeye çalışılmaktadır. Nanoteknolojinin amacı, nano boyutlarda aygıtlar geliştirmek (Görsel 6.27) ve bunların günlük hayatta kullanılmalarını sağlamaktır. Nanoteknoloji en küçük maddelerin teknolojisi olarak da tanımlanabilir. Taramalı tünelleme mikroskobu (Görsel 6.28: a) ve atomik kuvvet mikroskobu (Görsel 6.28: b) yardımıyla malzemenin yüzeyinde bulunan atomların ve atomsal düzeyde oluşan tepkimelerin gözlenmesi mümkündür. Bu sayede nano ölçeğindeki maddeler, atomlar ve moleküller incelenebilir duruma gelmiştir.
Lotus çiçeği (Görsel 6.30) birçok ülkede saflığın sembolü olarak anılmaktadır. Bunun sebebi lotus çiçeğinin kendi kendini temizleyebilme özelliğine sahip olmasıdır. Çiçeğin toprağa doğru eğimli yapıya sahip yapraklarındaki mikro ve nano boyuttaki yapılar yaprakların ıslanmasını engellemekte, yaprak üzerindeki küçük böcekleri ya da toz zerreciklerini suyla birlikte çiçekten uzaklaştırmaktadır. Lotus yapraklarının bu özelliği ıslanmayan kumaşların üretilmesine ilham kaynağı olmuş, bilim insanlarını kendi kendini temizleyebilen kumaşlar üzerine çalışmaya yönlendirmiştir. Morpho rhetenor (Morfo retenor) (Görsel 6.31) türü kelebeklerin kanatları çok katmanlı tabakalar ve boşluklardan oluşur. Son derece düzenli dizilime sahip bu yapılar fotonik kristal (fotonik kristaller ışığın kontrol edilerek üzerinde istenilen değişikliklerin yapılmasına izin veren yapılardır.) bir yapı meydana getirir. Bu yapı yalnızca mavi renkli ışığı yansıtıp diğer dalga boyundaki ışıkları geçirdiği için, kelebek kanatları parlak mavi renkte görülmektedir. Morpho kelebeklerinin kanatları fotovoltaik güneş pillerinin geliştirilmesine katkı sağlamıştır. Kertenkelelerin ayak tabanlarındaki (Görsel 6.32) milyonlarca tüycük, onların duvar ya da tavana tutunmaları sağlar. Bilim insanlarının bu doğal yapı üzerinde yaptıkları çalışmalar yeni nesil yapıştırıcı malzemelerin geliştirilmesini sağlamıştır. Sonuç olarak nanobilim ve nanoteknolojinin odak noktaları kuantum etkileri gibi temel fizik araştırması içeren konuların yanında atomik boyutta görüntülemede deneysel yöntemlerin geliştirilmesi ve nano boyutlarda ölçüm yapabilme teknikleri ortaya çıkarak düşük boyutlarda eş tip malzeme üretebilme, malzeme yapısını atomik boyutlarda kontrol edebilme, kızılötesi ve morötesi radyasyonlara karşı tepkisi kontrol edilebilir malzeme ve özel amaca yönelik aygıtlar gelişmektedir.
