Nanoteknoloji

Gelecek De Gelecek | Ray Kurzweil | Ağustos 9, 2011 at 2:34 pm

Bilgi ile fiziksel dünyanın kesişim noktası. Bize fiziksel dünyayı (kendi bedenlerimiz ve beynimiz dahil) molekül molekül ve hatta belki atom atom sıfırdan tamamen yeniden inşa edebilmeyi vadeden bir teknolojidir.

Biliyorsunuz “Nano = milyarda bir” demek. Teknolojimiz geliştikçe daha küçük şeyleri daha hassas biçimde üretebilir hale geliyoruz. Nanometre metrenin milyarda biri (yani milimetrenin milyonda biridir) Yüz nanometreden küçük şeyler üretebilmeye yarayan teknolojiye nanoteknoloji adı verilmiş.

2004 yılı itibariyle üretilen en gelişmiş çiplerde kullanılan yapıtaşı niteliğindeki (birçok transistörden oluşan) mantık geçitleri sadece 50 nanometre boyutunda idi. Yani bu boyutta elemanlar ile inşa edilen elektronik devrelerin üretim teknolojisi artık “nanoteknoloji” kapsamındadır. O günden bu yana da epey gelişmiştir. Bunların küçülme, hızlanma ve ucuzlaması anlamındaki gelişim halen üstel bir hızla devam etmektedir.

Görünen o ki 2020′ler itibariyle elektronik üretimlerin çoğu ve mekanik üretimlerin de bir kısmı nanoteknoloji alanına girecektir. Son yıllarda bu teknolojinin gelmekte olan çağına ait gerek kavramsal çerçevenin hazırlanmasında ve gerekse de tasarım fikirlerinin ortaya çıkmasında çok önemli aşamalar katedilmiş durumdadır.

Biyoteknolojide yapısından gelen bazı yavaşlıklar, sınırlar ve verimsizlikler bulunmasına karşın nanoteknolojide ciddi avantajlar bulunmaktadır. Nanoteknoloji ile içinde yaşadığımız dünyayı, kendi bedenlerimizi ve beyinlerimizi molekül molekül yeniden inşa etmemiz teorik bir imkan olarak karşımızda durmaktadır. Biyolojideki çalışma prensiplerini tam olarak keşfettiğimizde nanoteknoloji mühendisliğiyle inşa edebileceğimiz şeylerin biyolojik emsallerine göre kıyaslanamayacak üstünlüklere sahip olacağı açıktır. Şu anda biyoteknoloji ile nanoteknoloji ayni anda gelişmekte olan iki devrim niteliğinde görünmekle beraber aslında nanoteknoloji devrimi biyoteknolojinin 10 yıl kadar arkasından gelmektedir.

Nanoteknolojinin tarihiyle ilgili yazanların pek çoğu bu teknolojinin kavramsal doğuşunu Richard Feynman’ın 1959 yılındaki “dipte çok fazla yer var” isimli bir seminer konuşmasıyla başlatırlar.
O konuşmasında Feynman atom düzeyinde inşa edilecek makinelerin açaçağı geniş ufuklardan ve bu mühendisliğin vazgeçilmezliğinden söz etmiş ve şöyle konuşmuştu:

Görebildiğim kadarıyla fizik prensipleri birşeyleri atom atom biçimlendirmemize engel değil. Bu prensip olarak yapılması mümkün birşey. Bir fizikçi kimyacının yazdığı kimyevi maddeyi inşa edebilir. Nasıl?, Atomları tarif edildiği biçimde biraraya getirerek… Bu yapıldığında kimyevi madde orta çıkacaktır…. Eğer birşeyleri atom düzeyinde yapabilir ve ne yaptığımızı da görebilir olma yeteneğine kavuşursak bu kimya ve biyoloji alanlarındaki problemlerin çözümüne çok büyük bir katkı sağlayacaktır… Sanıyorum günün birinde bu yeteneğe kavuşmamız kaçınılmazdır.

Nanoteknolojinin kavramsal olarak temellerinin atılışında daha eski tarihli bir formülasyon da 1950′li yılların başlarında kendi kendinin kopyasını üreten bir sistem modeli çıkartan bilgi teoristi John von Neumann’dan gelmiştir.

Neumann’ın kopyalayıcısı bir inşaatçı(konstrüktör) ve bir bilgisayardan oluşmaktaydı. Modele göre bilgisayarda inşaatçıyı yöneten bir yazılım bulunmaktadır. Yazılım inşaatçıya hem bilgisayarın hem de inşaatçının bir kopyesini ürettirir. Bu düzeyde tabii Neumann’ın önerisi oldukça soyut durmaktadır. Çünkü inşaatçı ve bilgisayar çok farklı şekillerde hatta farklı materyallerden yapılabileceği gibi teorik matematiksel bir konstrüksiyon da olabilir. Ama kendisi önerisini daha somulaştıran “kinematik konstrüktör” (en az tek kolu olan bir robot) da tarif etmiştir. Bu konstrüktör içinde durduğu parçalar denizinden aldığı parçaları takarak kendisinin bir kopyasını yapmaktadır.

Günümüzdeki modern nanoteknoloji alanının gerçek olarak kurulması ise Eric Drexler’in 1980′lerin ortalarında hazırladığı ve bu alanda kendi başına bir dönüm noktası teşkil eden Ph.D tezi taslağıyla oldu. Drexler tezinde bu iki öneriyi esas olarak bir araya getirmektedir. Anlattığı von Neumann kinematik konstrüktörünün içinde durduğu parçalar denizi atomlar ve molekül parçalarıdır. Tez taslağındaki öneriler o kadar farklı disiplinlerin alanlarından geçmekteydi ki Marvin Minsky’den önce hiç kimse ona tez danışmanlığı yapmaya cesaret edememişti.

Daha sonra bu taslak gelişti 1986′da “Yaratma Makineleri” isimli kitaba, sonra da 1992′de “Nanosistemler” isimli kitabına girdi. Burada kurulan temeller bugün hala nanoteknoloji için bir yol haritası niteliğindedir.

Drexler’in “moleküler toplayıcı” dediği ve halen “üniversal toplayıcı” adı verilen şey ile dünyadaki hemen her şey yapılabilir. Ama Drexler ve diğer nanoteknoloji teorisyenleri üniversal tabirini bilhassa kullanmamışlardı. Çünkü sonuçta bu sistemle üretilebilecek şeyler fizik ve kimya yasalarıyla sınırlı olup, sadece atomik dayanıklılığı olan şeyler için fizibil olacaktır. Dahası, yapılacak herhangi toplayıcının yapabileceği ürünler elinin altındaki parçalarla sınırlıdır. Yine de herşey sağlanması kaydıyla böyle bir toplayıcı bize son derece etkin bilgisayarlar ve diğer toplayıcıların parçaları dahil akla gelebilecek herhangi bir fiziksel cihazı toplayıp üretebilir.

Drexler bir toplayıcı için ayrıntılı bir tasarım yapmamış olmakla beraber – ki bugün hala ayrıntılı bir tasarımı mevcut değildir. – onun tezi bir moleküler toplayıcının ana parçalarından herbirinin fizibilitesine ilişkin ayrıntılı tartışmalara zemin hazırlamıştı. Bu ana alt sistemler şunlardan oluşmaktadır;

Bilgisayar: Ürünün toplanmasına (asamblaj) ilişkin prosesi kontrol edecek aklı sağlayacaktır. Diğer alt sistemler gibi bunun da küçük ve olabildiğince basit olması gerekir. Drexler böyle bir bilgisayara yapıtaşı olarak transistörlü mantık geçitleri yerine moleküler kilitlerden oluşan bir sistem önermiştir. Kilitlerden herbiri sadece 16 nanometreküp hacim kaplayacak ve saniyede on milyar defa anahtarlama yapabilecektir. Bu öneri bilinen tüm elektronik teknolojilere göre daha rekabetçidir. Gerçi ileride teknolojisi oluştuğu takdirde karbon nanotüplerle inşa edilecek elektronik bilgisayarlar (gram başına hesaplama miktarı itibariyle) bundan daha da yoğun olabilir.

Komut mimarisi: Drexler ve çalışma arkadaşı Ralph Merkle komutların işlenmesinde SIMD (tek komut, çoklu veri) denilen mimariyi önermişlerdir. Bu mimaride tek kayıtçı komutu kaydedip, herbirinin kendi bilgisayarı olan trilyonlarca molekül boyutundaki toplayıcıya aktarmaktadır. Tabii bu sistemin bazı sınırları var. Ancak, çok komutlu çoklu veri sistemine göre yapması daha kolaydır ve bir nanoteknoloji toplayıcısındaki bilgisayar için yeterlidir. Bu yaklaşımla her toplayıcının ürünü ortaya çıkarmak için gereken tüm tüm programı belleğinde tutmasına gerek olmuyor. Ayrıca yayın şeklinde olan mimari (temel bir güvenlik sorununu olan) üretim prosesinin istenildiği anda durdurulabilmesinin güvencesine de sahiptir. Toplayıcının üretimi kontroldan çıktığında merkezden yapılan komut yayını kesilerek üretim durdurulabilir.

Drexler ayrıca bu toplayıcının illaki kendi kendisini çoklamak üzerine olması gerekmediğine de işaret etmektedir. Doğal bir çevrede nano toplayıcının hiçbir kayıt olmadan kendi kendisini çoklamak üzerine olan bir üretiminin tehlikelerine dikkat çekilerek bu konuda gereken etik standartlar dile getirilmiştir.

Komut aktarımı: Merkezdeki veri bankasından yayınlanan komutların çok sayıdaki toplayıcının herbirine aktarılması eğer bilgisayar elektronikse elektronik olarak, yok eğer Drexler’in tanımladığı şekilde bir mekanik bilgisayar kullanılırsa da vibrasyonlarla olacaktır.
İnşaat robotu: Toplayıcı von Neumann’ın tarif ettiği kinematik toplayıcı gibi tek kollu, basit ancak çok küçük boyutlu bir inşaat robotu. Bu anlamda moleküler boyutta motor gibi, robot bacağı gibi çalışan deneysel sistemler yapılmıştır.

Robot kolun ucu: Bir molekül parçasını ya da hatta tek bir atomu (uygun atomik kuvvet alanlarını kullanarak) yakalamak ve istenen yere götürüp bırakmakta kullanılacak robot kol ucu tarifleri Drexler’in Nanosistemler kitabında mevcut. Yapay elmas üretiminde kullanılan kimyevi buhar çökelti prosesinde tek tek karbon atomları ve molekül parçaları uç kısımdaki kimyasal reaksiyonlar yoluyla başka yerlere taşınabilmektedir. Yapay elmas üretimi trilyonlarca atomun söz konusu olduğu kaotik bir prosestir. Ancak, Robert Freitas ve Ralph Merkle’ın kavramsal önerisi bir moleküler makine üretmek üzere hidrojen atomlarını bir kaynak malzemeden alıp götürüp istenen noktalara bırakan bir robot kolu şeklindedir. .Bu öneriye göre elmasımsı bir malzemeden çok küçük makineler üretilecektir. Tabii çok yüksek olacak mukavemetinin yanı sıra içine muntazam biçimde sağlanacak katışkılarla transistör gibi çalışacak komponentler eklenecektir. Simülasyonlar bu şekilde moleküle düzeyde inşa edilecek dişli, motor, manivela gibi diğer mekanik sistemlerin de amaçlandığı gibi düzgün çalışabileceğini göstermiştir.

Daha yakın bir zamanda dikkatler karbon nanotüpler üzerine yoğunlaşmış durumdadır. Karbon atomlarının üç boyutlu olarak altıköşe biçimde yerleştiği bu malzeme ile moleküler düzeyde hem mekanik hem de elektronik işlevler görülebilmektedir. Bunun moleküler düzeyde inşa edilmiş çeşitli örnekleri halen mevcuttur.

Toplayıcının iç yapısı bu hassas toplama işlemi sırasında çevreden istenmeyen katkıların gelmesini engellemelidir. Drexler’in önerisi toplayıcının kendisinin de inşa edebildiği gibi elmas kristal yapısında bir malzemeden duvarlarının olması ve vakum gibi bir ortamda çalışması.

Gerekecek enerji elektrik veya kimyasal enerjiyle sağlanabilir. Drexler’in önerisinde bu ham inşaat malzemesiyle birlikte karışık olarak sağlanan kimyasal enerji şeklindedir. Daha yakın zamanda ise nanomühendislikle inşa edilecek hidrojen ve oksijen ya da glukoz ve oksijen kullanan yakıt hücreleri önerilmiştir, ultrasonik frekanslarda gönderilecek ses dalgaları (akustik güç) de önerilmiştir.

Çok faklı konfigürasyon önerileri bulunmasına karşın, tipik bir toplayıcıdan maksat fiziksel olarak üretimi mümkün olan, (üretimini yazılımla tarif edebildiğimiz) bilgisayarlardan elbiselere, sanat eserlerinden pişmiş yiyeceklere akla gelen herhangi birşeyi üretebilecek masa üstü bir makinedir.

Daha büyük, mobilya, otomobil, ev türü şeyler de modüler biçimde planlanarak, yahut da daha büyük toplayıcılar kullanılarak üretilebilir. Özellikle önemli olan şey bir toplayıcının (tasarımı bunu özellikle yasaklamamışsa) kendi kendisinden bir kopye de üretebilmesidir. Bu durumda toplayıcının kendisi dahil herhangi bir fiziksel ürünün üretilmesi, ve esas olarak da hammaddelerin üretilmesi sudan ucuz bir hale gelecektir.

Drexler’in tahmini böyle bir moleküler imalat prosesiyle üretilecek ürünün kilosu (cinsinden bağımsız olarak, isterse elbise, bilgisayar, ya da imalat makinesi olsun hiç farketmez) 10-50 sent dolayında olacaktır.

1 Yorum

  1. ramazan diyor ki:

    Nanoteknolojiyle ilgili yazı, çok doyurucu ve incelikler içeriyor. Siteyi ve konuyu irdeleyen yazarı candan tebrik eder, saygılarımı sunarım.
    Ramazan Karakale

Yorum gönder

Yorum göndermek için giriş yapmalısınız.