''Yaşayan'' Fırıldak Kristalleri ve Yaşamın Kökeni

Nanoparçacıkları döndürmek, onları Michigan Üniversitesi araştırmacılarının 'canlı döner kristaller' diye adlandırdığı bir nevi nano pompaya dönüştürüyor. Bu durum, tesadüfen de olsa yaşamın kökenine ışık tutmuş oluyor. Araştırmacılar bu kristallere “canlı” diyor, çünkü temel kurallardan bir anlamda kendi yaşamlarını kuruyorlar. 

Stuart W. Churchill Collegiate Kimya Profesörü Sharon Glotzer ve ekibi, farklı nanoparçacıkların eşzamanlı olarak bir kısmı saat yönünde ve bir kısmı saat yönünün tersi yönde olmak üzere dönmesini sağlarlarsa parçacıkların kendiliğinden karmaşık bir mimari inşa ettiklerini buldu. 

Ekip, nano parçacıkların bu davranışını, nanoteknolojideki en büyük zorluklardan biri olan, karmaşık süreçlere ihtiyaç duymadan parçacıkların "kendi kendine birleşmesini" (self-assembly) sağlamaya çalışırken buldu. Parçalar bir kum tanesinden bin kez küçükken, yapılandırma için normal teknikler artık etkili olmuyor. Bu sebeple, Glotzer gibi araştırmacılar yaşamın başlangıcında olmuş olabileceği gibi düzensizlikten düzene doğal olarak geçiş yolları arıyorlar. Aynı zamanda Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Makromoleküler Bilim ve Mühendisliği, Fizik ve Uygulamalı Fizik Bölümü profesörü olan Glotzer şöyle söylüyor:

Bunu anlayabilirsek, sadece malzeme ve cihaz yapmak için yeni yollar hayal etmekle kalmayız, bir kimyasal çorbadan ilk canlı yapıların nasıl oluştuğunu da anlamaya başlayabiliriz. Biyolojinin kurgulama zorluklarına yaklaşım yollarından biri, inşa edilen yapılara sürekli enerji vererek onları beslemektir. Nanoparçacıklara da bunu uyguladık.

Saha araştırmacıları parçacıklara bir yöne ilerlemek gibi belli bir hareket için enerji verilirse, parçacıkların bir diğerini etkileyip grup oluşturduğunu buldu. Glotzer'in ekibi parçacıkların tamamının dönmesi sağlanırsa ne olacağını araştırdı. Glotzer'in laboratuvarında bir araştırmacı olan Daphne Klotsa şöyle diyor: 

Kendileri organize oluyorlar. Asla ön göremediğimiz bir toplu dinamik oluşturdular.”

Ekibin bilgisayar simülasyonları, bir hava hokeyi masasında bulunan iki fırıldak seti gibi düşünülebilir. Masadan itilen hava, bazı fırıldakları saat yönünde, bazılarını saatin ters yönünde çeviriyor. Fırıldaklar yeterince iyi sabitlenip yapraklar birbiri ardına dönmeye başladığında, ekip kendi içlerinde saat yönünde dönenler ve dönmeyenler olarak bölündüklerini ve araştırmacılar arasında "evre/faz ayrışması" (phase separation) olarak bilinen kendini örgütleme davranışına gittiklerini buldu. Klotsa şöyle söylüyor: “Buluşun önemi, gerçek bir çekim olmadan evre ayrışmasını elde etmemizden geliyor.”

Bu kendi kendine dizilenmeyi "sağduyuya aykırı" olarak nitelendiriyor. Çünkü aynı dönüşe sahip fırıldakları birbirine iten veya zıt yöne dönenleri birbirinden uzağa iten doğrudan bir kuvvet bulunmuyor. Ayrışmanın oluşma sebebi fırıldakların yapraklarının çarpışması. Bir fırıldak çifti aynı yönde dönüyorken, yaprakları karşılaştığında ters tarafa dönüyor oluyorlar. Bu, yaprakların birbirini iterek ve birbirine yapışarak en azından yüzeysel olarak fırıldak çiftlerinin tekmiş gibi davranmalarını sağlıyor. Ancak, ters tarafa dönen yapraklar karşılaştığında aynı yöne dönmeye başlıyor ve birbirlerine yapışmıyorlar. Aynı yöne dönen fırıldaklar birbirine bağlanırken daha uzun zaman geçirdiklerinden kademeli olarak gruplara ayrılıyorlar. 

Fırıldaklar saat yönünde dönenler ve dönmeyenler olarak ikiye ayrıldıklarında, gruplar arasındaki bağ, grupta dönmeyen parçacıklar için bir yol oluyor. Bağlı yapraklar, sınır boyunca bu dönmeyen parçacıkları itiyor ve fırıldakların daha ağır olduğu tarafa geri dönme olasılıklarını düşürüyor. Ekip, bu durumdan bir cihazdaki cisimleri taşıyacak bir tür nano pompa gibi yararlanılabileceğini söyledi. 

Bilgisayar simülasyonları düz bir yüzey gibi iki boyutlu iken, ekip döner parçacıkların “canlı” üç boyutlu kristallere de dönüşebileceğini umuyor. Parçacıklar kendi eksenlerinde serbestçe dönebilecekleri için sonuç olarak sıralı eksene sahip üç boyutlu bir sıvı kristal oluşturabilirler. 

Sonuçlar 2014 Şubat'ın son haftası Physical Review Letters dergisinde çevirimiçi olarak yayınlandı ve American Physical Society'nin (Amerikan Fizik Topluluğu) 6 Mart 2014'teki toplantısında sunuldu.