Görünmeyeni görmeye yarayan dev araçlar: Senkrotron ışıması kaynakları

Arşimet’in (MÖ 288-212) senkrotron ışıması kaynaklarıyla ortaya çıkarılan kayıp çalışmaları. Bu sayfada yukarıdan aşağıya doğru dualar yazılı. Arşimet’in çalışmaları ise daha silik bir mürekkeple soldan sağa olarak görülüyor. http://www.archimedespalimpsest.org/ (Wikimedia Commons)

İnsanlar tarih boyunca doğayı görünür ışık kullanarak incelediler, yani bildiğimiz gözümüzle görebildiğimiz ışığı kullandılar. Oysa gördüğümüz ışık çok daha geniş bir yelpazenin parçası. Radyo dalgalarından gamma ışınlarına kadar uzanan elektromanyetik dalgalar (EM) bu yelpazeyi oluşturuyor, farklı dalga çeşitleri Şekil 1’de de görüldüğü gibi farklı dalgaboylarına sahipler. Görünür ışık bu yelpazenin çok küçük bir kısmı. Doğayı incelerken kullandığımız radyasyonun dalgaboyu ne kadar küçükse incelediğimiz malzemenin daha küçük detaylarını görme şansımız var.

Senkrotron ışınımı (SI) kaynaklarının devreye girmesi, araştırmalarda kullanabileceğimiz EM radyasyonunun aralığını genişleterek bir devrim yarattı.

Şekil 1. Elektromanyetik dalga çeşitleri, dalgaboylarının denk geldiği ölçekler ve senkrotron ışınımı kaynaklarının sağladığı radyasyon bölgesi

Bu şekilden görebileceğimiz gibi senkrotron laboratuvarları 10-5-10-11 m dalgaboyu aralığı arasında fotonlar (radyasyon) sağlayarak her türlü malzemenin detaylı yapısını araştırabilmemizi mümkün kılar.  Bu şekilde SI’nın kullanıldığı alanlar da tıptan arkeolojiye, malzeme biliminden sanata, çevre bilimlerinden enerjiye kadar geniş bir yelpaze sergiler. Dünya üzerine 50’den fazla SI kaynağı bulunur.

Senkrotron ışınımı nedir?

SI, dairesel bir yörüngede ışık hızına yaklaşan hızla hareket eden yüklü parçacıkların yüksek yoğunlukta ve geniş enerji aralığında yörüngeye teğet olarak ortama yaydıkları elektromanyetik (EM) radyasyondur. SI kaynaklarını dev mikroskoplara benzetebiliriz. Bu dev mikroskobun yapısını Şekil 2’deki gibi bir şemayla gösterebiliriz.

Şekil 2. Senkrotron ışıması kaynaklarındaki ana ögeleri gösteren şema

Bir elektron tabancasından elde edilen elektronlar doğrusal hızlandırıcıyla yaklaşık 100 MeV enerji seviyesine yükseltilir, buradan gerilim yükseltici güçlendirici halkaya ve oradan da depolama halkasına aktarılarak senkrotron ışınımı elde etmek üzere dairesel yörüngeye yerleştirilir. Depolama halkasındaki elektron demetinin enerjisi farklı laboratuvarlardaki halkaların tasarımlara göre 1 ile 8 GeV arasında değişebilir. Dairesel yörüngedeki hareket depolama halkası çevresindeki elektromıknatıs gruplarından oluşan örgülerle sağlanır ve SI’yla kaybedilen enerji de radyo frekans (RF) kaviteleriyle takviye edilir. Işık hızına yakın bir hızla hareket eden elektronlardan SI hareket yönünde dar bir konik hacim içerisinde yörüngeye teğet olarak yayılır. Işınım şiddeti elektron demetinin enerjisinin dördüncü kuvvetiyle orantılıdır. Yani elektron enerjisi ne kadar yüksek olursa o kadar kuvvetli bir ışınım elde ederiz. Elektronun enerjisi ise yörüngenin yarıçapıyla doğru orantılı olduğundan yarıçap büyüdükçe enerji artar. Şekil 3’den görüleceği gibi bütün dünyada SI kaynakları büyük yuvarlak binalar içine yerleştirilir.

Şekil 3: Dünyadan SI laboratuvarları örnekleri. (a) Spring8 Japonya Harima, Japonya. Depolama halkası enerjisi 8 GeV, halka çevresi 1.4 km (Wikipedia) (b) Diamond Işınım Kaynağı, Oxford, İngiltere. Depolama halkası enerjisi 3 GeV, halka çevresi 561.6 m  (c) ALS Berkeley, ABD. Depolama halkası enerjisi 1.9 GeV, halka çevresi 198 m.

Hem farklı alanlarda deneyler/ölçümler gerçekleştirebilmek hem de SI’nın farklı özelliklerinden yararlanabilmek için depolama halkası üzerinde çeşitli demet hatları ve deney istasyonları kurulur (Şekil 2). Demet hatlarındaki optik sistemler kullanılacak dalga boyunu seçmemizi veya dalga boyu taraması yapabilmemizi sağlar.  Bu düzenekler dışarı ışıma geçirmeyen kurşun duvarlı odacıklarda kurulur ve kullanıcıların buraya erişimi olmaz. Optik düzeneklere göre demet hatlarında X ışını kırılımı, soğurması, saçılması, flüoresans emilim spektroskopisi, kızılötesi spektroskopisi ve mikroskopisi, foto emisyon spektroskopisi gibi teknikleri kullanmak mümkün olur. Örneklerin ışımayla buluştukları deney istasyonlarında ise örneğin içinde bulunmasını istediğimiz sıcaklık, basınç vb çevre şartlarını kontrol edebileceğimiz yapılar ve örnekten gelen sinyalleri toplayan detektörler bulunur. Bu odacıkların da duvarları kurşundur ve deney başlayıp örnek üzerine ışıma verilmeden kullanıcılar buradan çıkarlar ve deney sırasında buraya ulaşımları olmaz.

Araştırma alanlarına ve yapılabilecek deney çeşitlerine baktığımızda senkrotron laboratuvarlarının disiplinler arası çalışmalar için uygun, kullanıcıların birbirleriyle farklı uzmanlık alanlarındaki deneyimlerini paylaşabilecekleri bir renkli ortam oluşturduklarını görüyoruz.

Senkrotron ışınımı özellikleri

Senkrotron laboratuvarlarının dünyada çok yaygın olmasının başlıca sebebi laboratuvardaki bir aletten yaklaşık 1018 mertebesinde daha kuvvetli X ışınları (röntgen ışınımı) üretmeleri. 1895 Wilhelm Röntgen tarafından keşfedilmesinden itibaren X ışınları organik (kemik, akciğer, hücre vs) ve inorganik (metal, cam, gaz vs) her tip malzemenin yapısını incelemek üzere önemli bir araç olarak kullanılıyor. Hatta Tablo 1’den göreceğimiz gibi Nobel ödüllerini incelersek önceleri laboratuvar, ilerleyen yıllarda SI kaynaklı* X ışınları kullanarak yapılan çalışmaların sayılarının yüksek olduğunu gözlemliyoruz[1].

Tablo 1. Nobel Ödülü websitesinden derlenmiştir.

SI’na gelince, 19. Yüzyıl sonundan beri kavramsal olarak tanımlanmış olsa da deneysel olarak ilk kez 1947 yılında General Electric Araştırma Laboratuvarı’nda (NY, USA) kapalı devre kuvvetli X ışınları kaynağı geliştirme çalışmaları sırasında gözlemlendi [2]. İlk zamanlarda bu ışınım X ışınları kaynağı olarak düşünülen halka hızlandırıcılarda istenmeyen bir enerji kaybı olarak değerlendirilse de bir süre sonra SI’nın geniş spektrumu ve uygulama potansiyeli farkedildi.

Senkrotron laboratuvarlarının çok amaçlı kullanımı elde edilen ışınımın kendine özgü özelliklerinden kaynaklanıyor.

  1. Geniş enerji aralığında yönlendirilmiş yüksek ışın yoğunluğu: SI’nın kaynaktan odaklanmış olarak yayılması küçük bir hacim içindeki yüksek sayıda fotonun optik elementler tarafından toplanmasına ve örnek üzerine çok sayıda foton gelmesine yol açar. Yüksek foton yoğunluğu zayıf ışın kırılması olan malzemelerden bile kısa zamanda sistematik veri toplanmasını sağlıyor.  Örneğin bir laboratuvar cihazıyla biyolojik örneklerden saatler süren ölçümleri senkrotronda saniyeler içinde yapmak mümkün. Geniş enerji aralığı ise farklı dalgaboylarındaki ışınımlardan faydalanarak malzemelerin değişik özelliklerinin incelenmesini sağlıyor. Örneğin kızıl ötesi spektroskopisiyle malzemenin hangi elementlerden oluştuğu belirlenebilir, X ışınları kırılımı yoluyla malzemenin moleküler yapısı incelenebilir veya X ışınları soğrulmasıyla moleküller arasındaki bağ yapıları belirlenebilir.
  2. Darbeli ışınım: Elektronlar ışınımın toplandığı deney istasyonlarından nano/piko saniye aralıklarla geçtiklerinden bu zaman ölçeğinde gerçekleşen reaksiyonları incelemek mümkün.
  3. Polarize ışınım:  Elektron yörüngesine baktığımızda ışınım yörünge düzleminde doğrusal ve bu düzlem dışında eliptik kutuplanma (polarization) gösterir. Işınımın bu özelliğinden yararlanarak moleküllerdeki bağlar ve moleküler yapı hakkında bilgi edinebiliriz.

Senkrotronların kullanım alanlarından örnekler

Senkrotronlardan elde edilen ışıma Şekil 4’de gösterildiği gibi çok farklı alanlarda kullanılabilir.

Şekil 4. SI uygalama alanları. Gösterilen alanlardaki deneyler ölçülmek istenilen parametrelere göre farklı veya aynı deney israsyonlarında yapılabilir.

Farklı alanlardaki uygulamalar deney istasyonlarında örneklerin SI yoluna yerleştirilmesi ve veri toplamak için değişik tasarımlar ve düzenlemeler gerektirir.  Örneğin moleküler biyoloji araştırmalarında sık kullanılan bir uygulama protein yapısını belirlemek ve bu yapıya uygun ilaç tasarımı yapmak yönündedir. Bu durumda protein kristalleri ışımadan zarar görmemeleri için dondurulur ve veriler karmaşık bir sistem kullanılarak sıvı nitrojen akımı altında düşük sıcaklıkta toplanır. Çok sayıda kristalden hızlıca veri toplayabilmek için örnekler X ışınlarına robotik sistemlerle yerleştirilir, veri toplama süreleri sadece saniyeler sürer ve veri analizlerinin ilk aşamaları otomatik yapılır.

SI kullanımına diğer bir örnek son yıllarda çevre ve enerji konularındaki dar boğazlar nedeniyle ön plana gelen katalizör reaksiyonlarının incelenmesi. Ham petrolü daha verimli ve hızlı bir şekilde ayrıştırabilmek için kullanılan zeolit heterojen katalizörlerin yapıları üzerine araştırmalarda SI kaynaklarında elde edilen verilerle hızlı ilerlemeler kaydedildi. Bu çalışmalarda X ışınımı flüoresansı, yansıması, kırılımı ve emisyonu yöntemlerini birbirini tamamlayıcı bir şekilde kullanarak zamana bağlı ölçümler yapılıyor ve katalizör yapısındaki farklı büyüklükteki boşlukların reaksiyonlar üzerindeki etkilerini anlamak mümkün oluyor [4].

Şekil 5. Vincent Van Gogh’un kayıp resminin bulunması (a) Çimen Parçası, Paris, Nisan-Haziran 1887, yağlı boya, 30-40cm, Kröller-Müller Museum, Otterlo, Hollanda. (b) Çimen Parçası’nın arka planında saklı kadın portresi CC-BY-ND (Kaynak: Looking over the artist’s shoulder)

Diğer bir uygulama tahribat yapmadan sanat eserlerinin ve arkeolojik nesnelerin incelenebilmesi. Biraz dedektiflik gibi olan bu uygulamalarla gözle göremediklerimizi de görünür hale getirmek mümkün. Tahribat vermeden görüntüleme müzelerde konvansiyonel X ışını kullanarak zaten yapılıyordu ancak tablodaki boyanın farklı pigmentlerini ayırt ederek detaylı bir görüntü elde etmek mümkün değildi. Sanat tarihçileri ve senkrotronlardaki fizikçiler (ABD, Almanya ve Fransa’daki senkrotron kaynaklarında) birlikte çalışarak alt tabakaların görüntülenmesindeki yöntemlerde yeni çığır açtılar.  Güzel bir örnek Şekil 5(a)’da görülen Vincent van Gogh’un “Patch of Grass (Çimen parçası)” isimli resmi. Sanatçının erken dönemlerde aynı tuvalde üst üste farklı resimler yaptığı biliniyor, hatta ilk tablolarının 1/3’ünün bu durumda olduğu tahmin ediliyor. Bu resimde de çimenlerin arkasında başka bir resmin gizli olabileceği konvansiyonel X ışını taramasıyla elde edilen görüntülerden tahmin ediliyordu. Bölge, senkrotronda kızıl ötesi ışıma görüntülemesi, pigmentler için element özgün flüoresans ışınımı haritalaması ve X ışını mikroskopisi kullanılarak incelenerek sonuçlar birleştirildiğinde Şekil 5(b)’de görülen canlandırımı ortaya çıktı. Böylece Van Gogh’un yaptığı bir seri köylü kadın yüzleri tablolarındaki eksik halka bulunmuş oldu[5] .

Son örneğimiz de MÖ. 3. yüzyılda yaşamış Yunan matematikçisi Arşimet’in sonsuzluk kavramı, yüzen cisimler, kesişen düzlemler ve başka konularda yazılarını içeren kayıp belgeyle ilgili. Arşimet’in demir içeren mürekkep kullanarak yazdığı parşömen belgeler MS. 530 yıllarında Konstantinapol’de derlenerek bir kitap haline getirilmiş ve MS. 950 yıllarında yine el yazması olarak bu kitabın bir kopyası hazırlanmıştı.

Şekil 6. Arşimet’in yüzen cisimler üzerine yazdıklarını gösteren bir sayfa. (Wikimedia Commons)

Kayıtlar kopyanın 1200’lerde Kudüs’e gittiğini ve burada cildinin bozularak sayfaların ayrıldığını ve zayıf bir asitle temizlenip üzerine bu sefer yine demir içeren mürekkeple dualar yazılıp dua kitabı olarak kullanıldığını gösteriyor.  Daha sonra bu sayfaların maceraları oldukça karmaşık ama sonunda 1998 yılında ismi açıklanmayan bir milyoner bu sayfaları Baltimore’daki Walters Art Museum’a ödünç olarak veriyor. O zaman arkeologlar, filologlar, malzeme bilimcileri ve fizikçiler bir araya gelip yukarıda Van Gogh tablosunda sözünü ettiğimiz çeşitli senkrotron ışınımı yöntemlerini kullanarak Arşimet’in çalışmalarını gün ışığına çıkarttılar.

Zehra Sayers
Bilim Akademisi onursal üyesi

Sabancı Üniversitesi Doğa Bilimleri ve Mühendislik Fakültesi öğretim üyesi 

Kaynakça

[1] Willmott, P. (2018) An Introduction to Synchrotron Radiation, Wiley.
[2] Elder, F. R. et al., (1948) Phys Rev 102:1423-1447.
[3] Papp, G. Et al Acta Crystallogr D Struct Biol. 2017 Oct 1; 73(Pt 10): 841–851.
[4] Meirer, F. and Weckhuysen, B. M. (2018) Nature Reviews Materials 3: 324-340.
[5] Dik, J. Et al. (2008) Analytical Chemistry 80: 6436-6442.

Önceki İçerik16 Temmuz 2019 gökyüzü ve parçalı Ay tutulması
Sonraki İçerikİslam dünyası biliminin Avrupa’ya etkisi
Zehra Sayers

Bilim Akademisi onursal üyesi Zehra Sayers, lisans derecesini Fizik dalında Boğaziçi Üniversitesi’nde (1974), doktorasını Londra Üniversitesi’nde Biyofizik alanında (1978) tamamladı.  Sayers, daha sonra Açık Üniversite, Oxford’da ve Uppsala Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı. 1985 yılında Almanya’da Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarının (EMBL) Hamburg’daki laboratuvarına araştırmacı olarak katılarak senkrotron X-ışınımının biyolojik moleküllerin yapı çalışmalarında kullanımının öncüleri arasına girdi. Hamburg Üniversitesinde ‘Habilitation (Doçent)’ ünvanını alan Profesör Sayers, araştırmalarında proteinlerin üç boyutlu yapıları ve işlevleri arasındaki ilişkilerin senkrotron ışınımı yöntemleri yardımıyla incelenmesi üzerine yoğunlaştı. 2001-2018 yılları arasında Ürdün’deki Orta Doğu Senkrotron Işınımı Deneysel Bilim ve Uygulamaları (SESAME) Laboratuvarı’nın Bilimsel Danışmanlık Komitesi Başkanlığı’nı yaptı. 2017 Rammal ve 2019 AAS Bilim ve Diplomasi Ödülü’ne layık görüldü.

Çalışma alanları rekombinant protein üretimi, protein kimyası analizleri ve proteinlerde üç boyutlu yapı deneysel çalışmalarıdır.

Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi kurucu öğretim üyelerinden olup 2010- 2019 yılları arasında Temel Geliştirme Direktörlüğü ve Mart 2018-Kasım 2018 tarihleri arasında Rektörlük görevini yürüttü.  Temel Geliştirme Direktörü olarak çekirdek eğitim programı ve yeni pedagojik yaklaşımların tasarımı ve uygulanması üzerine çalışmalar yürüttü, Doğa ve Bilim dersinin yeniden yapılandırılması sürecini yönetti.