Tabiatta Kristal Mühendisliği

Tabiat, insanoğluna arzedilen bir nimetler hazinesidir. Bu sonsuz hazinenin sırlarını ortaya çı­karan ilim adamları için mo­del yine kâinatın içinde bu­lunmaktadır. Son yıllarda, insanlığa çeşitli faydalar va­deden yeni sahalardan biri­sinin de canlıların mikro ya­pısı olduğu ortaya çıka­rılmıştır.

Çoğu canlının, genelde organik polimerlerden ibaret olan iskeleti inorganik mi­nerallerden inşa edilmiştir. Bu mineraller kabuk, ke­mik, diş gibi değişik yerler­de çok çeşitli yapılarda kar­şımıza çıkmaktadır. Önce kimyacıların dikkatini çeken bu maddeleri günümüzde özellikle malzeme bilimi ile uğraşanlar, tetkik ederek bunların her birisinde dercolunan teknolojiyi faydalanmak üzere birçok sahada taklid etmeye başlamışlar­dır.

- Tabiatta birçok orga­nizma, kristal halinde veya düzensiz bir yapıyı oluştura­cak şekilde, biyominerallerden oluşmaktadır. Çoğun­lukla esası karbon, hidrojen ve oksijenden ibaret, yumu­şak organik maddelere sahip olan bu organizmaların o sert kabuklan tek bir kristalden meydana gelmiş diken­leri, minyatür mıknatısları ve her birisi mimari bir şaheseri andıran yapıları acaba nasıl inşa edilmiştir. Yapı­lan araştırmalar bunun ceva­bını bulmak için en başta hücre içine bakmak gerekti­ğini göstermiştir; bütün or­ganizmalarda aynı mekaniz­ma işlemektedir. Yani, maddeler çözelti halinde alınmakta ve hücre zarların­da yoğunlaştırılmaktadır. Hücre içinde ise katyonlar (pozitif yüklü iyonlar) ile birleşerek mineral halinde çökelmektedir. Bu mineral­ler hücrenin içinde, yüzeyin­de veya dışında depolanabi­lir. Hücre dışında toplanan mineraller üzerinde genetik bir kontrol mekanizması olmadığı halde hücre içindeki­ler, ihtiyaç duyulan şekle sokulmak üzere, sıkı şekilde kontrol altında tutulurlar; hatta, hücre içine yerleştiril­miş bulunan organik bir zara, kalıp vazifesi gördürüle­rek minerallerin istenen şekilde kristalleşmesine im­kân verilmiştir.

Yukarıdaki hâdise mey­dana gelirken asıl hayret ve­rici olan, minerallerin, mey­dana getirilmesi çok zor bir yapı tarzı olan “tek kristal”i oluşturacak şekilde kullanıl­masıdır. Bir maddenin tek kristal yapıda olması de­mek, onu meydana getiren alt birimlerin maddenin her tarafında aynı düzgün sırada bulunması ve hiçbir düzen­sizliğin görülmemesi de­mektir; bu tür bir yapı ise o maddeye bazı üstün özellik­ler kazandırır. Ayrıca tek kristaller en temel kristal yapı biriminin (birim hücre) şeklini aksettirmektedir. Meselâ, temel yapı birimi küp şeklinde olan tek kristal yapılı bir madde küp şeklin­de olma temayülündedir. Buna karşılık, meselâ, denizkestanesinin çubuk şeklin­deki tek kristal yapılı olan dikenleri ise çubuk şeklinde, enteresan bir mimariyi sergilemektedir . Tek hücreli canlılarda dahi eşsiz bir mü­hendislik yapısını görmek mümkündür.

Organizmaların yapısı karmaşıklaştıkça kristal mü­hendisliği için daha çarpıcı modeller ortaya çıkmakta­dır. Meselâ, özel kemik hüc­resi kalsiyum ve fosfat iyon­larını toplamakta ve bunları, minerallerin düzenlenmesi görevini üstlenen, polimerik yapıya aktarmaktadır. Bu organik alt yapı (matrix) üzerinde gelişen kemiğin yapıtaşının, iplik şeklinde bir protein olan, kollojen ol­duğu ortaya çıkarılmıştır,

Bir kabuğun inşa edilmesi ise bir duvarın örülme-sine benzemektedir; inorga­nik kalsiyum karbonat tuğ­lalar dizilmekte ve bunlar organik, bir nevi zamkla yerlerine tutturulmaktadır. Böylece meydana getirilen kabuğa inorganik bir mad­denin mukavemet özelliği­nin yanısıra organik bir maddenin de elastikiyet özelliği kazandırılmıştır.

Bu tür hârika düzenlere sahip birçok organizmaya ayrıca, minerallerden oluşan bu tür yapılarını organize edebilme kabiliyeti de veril­miştir. Meselâ, bazı bakteri­ler demiroksitlerinden ibaret kılcal mıknatıslara sahip kı­lınmış iken, tatlı su planktonlarına minerallerden olu­şan âdeta bir sepet hediye edilerek bunu yiyeceklerini yakalamada kullanmaları öğretilmiştir.

Organizmaların, depo­ladıkları mineralleri nasıl böyle yapıları oluşturmada kullandıkları merak konusu­dur. İlâhî bir nizamın esinti­lerini taşıyan bu hâdisede önemli olan unsurun orga­nik moleküller ile inorganik iyonların biyominerallerin yüzeyinde etkileşmesi oldu­ğu anlaşılmıştır. Organik polimerlerin inorganik mad­delerin kristalleşmesi üze­rinde yaptığı etki malzeme bilimi ile uğraşan mühendislerin önünde yeni ufuklar açmaktadır. Tabiattaki var­lıklar örnek alınarak yapılan sentetik - organik polimerle­rin yakın bir gelecekte inor­ganik malzemenin kristalleş meşinde kullanılabileceği sanılmaktadır. Yukarıda özetlenen hâdisenin detayları tam olarak açıklığa kavuştu­ğunda ileri teknolojinin ihti­yacı olan tek kristallerin ve­ya bileşik (kompozit) malzemelerin hem imalatı kolaylaşacak hem de çok karmaşık işlemler rahatlıkla yapılabilecektir.

Bath Üniversitesindeki çalışmalar tamamen biyomineralizasyonun anlaşılabil­mesi ve taklid edilmesi üzerine esas alınmaktadır.

Kimya, fizik ve biyoloji dal­larında çalışan i!İm adamları tarafından ortaklaşa yapılan bu tetkik ve deneyler esna­sında inorganik maddelerin kristalleşmesi hakkında yeni malumatlar ortaya çıkarıl­mıştır.

Bu konuda dikkati çe­ken hâdiselerden birisi de, değişik şartlarda farklı demir oksitlerinin meydana gelme­sidir. Bazı bakteriler bu de­mir oksitleri pusula olarak kullanabilmektedir. Demi­rin, “ferritin” adı verilen pro­teini birçok organizmada bu­lunmaktadır; bu protein ise birçok problemin izalesi ba­kımından canlılara verilmiş bir nimettir. Ferritinlerin or­talarında 8 nanometre (met­renin milyarda biri) genişli­ğinde bir delik mevcuttur. Bir demir atomu oksitlendi­ğinde bu deliğe âdeta hapsolunur; diğerlerinden tecrit edilmiş bulunan bu küçük pas parçacığı zararsızdır ve daha sonra, hemoglobin ya­pımında kullanılmak üzere, âdeta depolanmıştır ve organizmaya buradan demir sağ­lanmakladır.

Tabiatta biyominerallerin inşasındaki insanı hay-rette bırakan bu tür mükemmellikler bilim adamlarım bu hâdiselerin laboratuvar şartlarında modellerini yapmaya teşvik etmiştir. Oxford Üniversitesi'nden B. Williams ve S. Mann, suni kesecikler içinde biyominerallerin veya inorganik katıların nasıl oluşacağını tetkik ettik­lerinde, kullandıkları zar şeklindeki maddenin, bazı canlılarda Örneği görüldüğü üzere minerallerin yapı. şekil ve büyüklüğüne tesir etti-ğini ortaya çıkarmışlardır. Bu deneyde yalnızca maksa­da uygun şekilde kristalleş­me sağlayacak molekül dizilişi dikkate alınmamıştır. Bu meselenin halli ise daha son­ra Langmour filmlerinde bulundu. Bu ince sabun filmleri su yüzeyine yayıldığında sadece 1 molekül kalınlığında bir tabaka meydana getirmekteydi. Bu tabakalar üzerinde yapılan çalışmalar sonunda kristallerin sadece düzenlenmesinin değil, bu­nun yanında kristalleşme şeklinin de tabakaya bağlı olduğu ortaya konmuştur.

İlim adamları ve mü­hendislerin tabiatta cereyan eden biyomineralizasyondan öğrenecekleri çok şeyler var. Organik ve inorganik yüzey­lerin birbirine etkilerine ben­zer şekilde, malzeme bilimi ve inorganik katılar sahasın­da ortaya konan gelişmeler hep tabiatta mevcut tabii modellerin semereleridir. Her parçası bir programlar manzumesi olan tabiatın, kı­sa vadeli plânlarla sorum­suzca kullanılması yerine, gerekli şekilde tetkik edil­mek suretiyle Yaratıcı'nın mükemmel sanatlarının ön­ce madde ve mânâda anlaşıl­ması ve daha sonra da bu ha­rika modeller örnek alınarak birçok sahada mevcut tekno­lojik problemlerin halledil­mesi yönünde kullanılması insanoğlunu kendisine yakı­şan seviyeye çıkaracaktır.