DAHA YAKIN OLMAK İÇİN: ELEKTRON MİKROSKOPLARI

Artık neredeyse takip etmekte zorlanmaya başladığımız teknolojik gelişmeler ve doğuşuna tanık olduğumuz yeni ürünler (malzeme bilimi ve biyoloji alanındaki gibi), geçmişteki bilimsel çalışmaların, detaylı ve analitik incelemelerindeki titizliğin ve başarının birer ürünüdür. Daha özgün bir keşifte bulunmak ya da üretilmiş olandan daha iyisini üretebilmek için, eldeki sonuçların ve bu sonuçlara ulaşılırken izlenmiş olan yöntemlerin tam olarak anlaşılmış olması birinci kuraldır.

Hızla gelişen teknoloji dünyasında, ilk olarak dilimize yerleşmiş olan mikro-teknoloji yerini hemen hemen her sektörde duymaya başladığımız “nanoteknoloji”ye bırakmış durumda. Teknolojinin başına eklediğimiz “nano” terimi, Yunanca’dan gelmekte ve herhangi bir ölçünün milyarda biri anlamına gelmektedir. Yani aslında nanoteknoloji ürünü olarak karşımıza çıkan ürünler ya da araştırmalar, nanometre (metrenin milyarda biri-10-9) seviyesindeki çalışmalardan ya da nano-malzemelerin katkısı ile geliştirilmiş teknolojilerden oluşmaktadır. Kendi kendini temizleyen kumaşlar, anti-bakteriyel kıyafetler, gün boyu üzerinizde kalan güneş kremlerinin hepsi içerdikleri nano boyuttaki katkılar sayesinde ortaya çıkan ürünler. İşte bu nano katkıların kontrolü, analizi, nerede nasıl davranacağının belirlenmesi, hangi işlevselliğe sahip olduğunun anlaşılabilmesi büyük önem teşkil etmektedir. Hal böyle iken, doğal olarak insan gözü fonksiyonelliğini yitirmekte ve devreye günümüzün kurtarıcı cihazları mikroskoplar girmektedir.

Mikroskop dediğimiz zaman tarih sayfalarında 1590’lı yıllara kadar geri gitmemiz gerekiyor. Zacharias Janssen adlı Hollandalı bilim adamı, ilk olarak bu tarihte bir tüpün içerisine iki adet mercek yerleştirerek, ilk mikroskobu icat etmiştir. 1600’lü yıllardan bugüne geçen neredeyse 500 yıllık bir zaman dilimi ise, her alanda olduğu gibi mikroskopların geliştirilmesine de büyük bir ivme kazandırmış, mikroskopların sağladığı büyütme 1938 yılında Alman fizikçi Ernst Ruska’nın elektron mikroskobunu icadı ile doruğa ulaşmıştır [1].

Elektron mikroskopları, standart mikroskoplardan farklıdır. Standart mikroskopların kendi içerisinde oldukça farklı çeşitleri, dizaynları ve kullanım amaçları olsa da, ortak noktaları temel olarak ışıktan ve merceklerden yararlanmalarıdır. Elektron mikroskopları ise bundan farklı olarak incelemek istediğimiz cisimden saçılan veya içinden geçen elektronların toplanması neticesinde elde edilen görüntüleri incelememize olanak sağlar. Bu temel prensip bizi iki farklı elektron mikroskobu kategorisine götürür ki bunlardan biri Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscope – SEM), diğeri ise Geçirimli Elektron Mikroskobudur (Transmission Electron Microscope – TEM). Elektron mikroskoplarının hangi aşamalarda bize faydalı olduğundan, hangi örnekleri inceleyebildiğimizden ve ilgi çekici örneklerden bahsetmeden önce, gelin kısaca bu mikroskopların nasıl çalıştığına göz atalım.

Elektron Mikroskoplarının Çalışma Prensipleri

Biraz önce bahsettiğimiz SEM, inceleyeceğimiz bir örnek ile gönderilen elektronlar arasındaki etkileşimden yararlanır. Açmak gerekirse, bahsettiğimiz çalışma prensibi vakumlu bir ortam altında, incelenecek olan örneğe elektron göndermek ve bu işlem sonrası cisimden saçılan elektronları toplayarak ekrana görüntüyü yansıtmaktır. Bir elektron mikroskobu, incelediğiniz cismi 300.000 kat büyütebilir, hatta atomik boyutlara kadar görüntü almamızı sağlayabilir.

Bir elektron mikroskobunun (SEM veya TEM) bizlere herhangi bir görüntüyü aktarabilmesinin altında güçlü bir fizik ve mühendislik altyapısı bulunmaktadır. Elektronların oluşturulup gönderilmesinden itibaren başlayan bu zorlu süreç, elektronun mikroskop içindeki davranışlarını kontrol etme, elektronun cisim üzerinde düşeceği yeri belirleme, gönderilen elektronların yoğunluğu, merceklerin kullanımı ve son olarak cisimden saçılan veya geçirilen elektronların toplanması ve yazılım aracılığıyla çözümlenmesi ile beraber zorlu bir süreci kapsamaktadır.

Yukarıdaki şekilde de görebileceğimiz üzere, bir elektron mikroskobunda elektronun cisme ulaşması noktasına gelene kadar oldukça detaylı hesaplamalar sonucu belirlenmiş bir sistem bulunmaktadır. İlk olarak ise incelenecek örnek elektron mikroskobuna yerleştirildikten sonra ortam vakuma alınır ve ardından elektron tabancası adı verilen bir tabanca ile elektron üretilerek cisme doğru gönderilir. Buradaki vakumun amacı elektronların hedefe yani örneğe doğruca, saçılmadan ilerlemesini sağlamaktır. Manyetik mercekler elektronların odaklanmasını sağlarken, diyafram açıklığı dediğimiz bölgeler odak uzunluğunu ayarlar. Örnek ile etkileşiminin ardından farklı açılarda saçılan elektronlar dedektör (algılayıcı) tarafından toplanır ve toplanan verilerin mikroskobun yazılımınca analizi neticesinde görüntüleri elde edilir [4].

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=VWxYsZPtTsI&w=480&h=360]

Yazının başında belirttiğimiz gibi temel olarak 2 tür elektron mikroskobu mevcuttur. İsim farkından da anlayabileceğimiz üzere, SEM (taramalı elektron mikroskobu), cisimden saçılan elektronların toplanması, TEM (geçirimli elektron mikroskobu) ise, numunenin içinden geçirilerek toplanan elektronlar ile işleyen bir mikroskoptur. TEM, SEM’e göre çok daha detaylı bilgi altyapısı ve zahmetli bir numune hazırlama işlemi gerektiren bir mikroskoptur. TEM kullanılarak cisimleri bir kaç angströme (10-10 m) kadar yakınlaştırabilirsiniz ki bu nano seviyenin de altına inmek, bir hücre veya herhangi bir malzeme için, atomik boyutlarda çalışma gerçekleştirebilirsiniz demektir. Özellikle malzeme biliminde atomik kristal yapı (çoğu katı malzemenin sahip olduğu atomların kendi arasındaki tekrarlı düzen) incelemeleri için TEM kullanılmaktadır. Bu tarz yüksek büyütmeleri yapabiliyor olmamız, TEM’i hem biyoloji hem de malzeme bilimi alanında oldukça değerli kılmaktadır [5]. Tabii TEM’in bu kadar detaylı analizleri gerçekleştirebiliyor olması SEM’in değersiz olduğu anlamına gelmemektedir. Zira her malzemeyi atomik boyutta incelemek gerekmez, kimi zaman da malzemelerin yüzeylerinden görüntü almak ve bu yüzeylerindeki yapıları (dağılımları, oluşumları, tabakaları, hataları) incelemek gerekir. İşte bu noktada da TEM yerine SEM daha kullanışlı bir mikroskoptur araştırmacılar için. SEM ve TEM ile yapılacak incelemeler, farklı araştırma amaçlarına hizmet edeceğinden ve farklı çalışma prensiplerine sahip olduklarından dolayı, incelenecek örneklerin (kısaca numune) hazırlama işlemleri de buna göre farklılık göstermiştir. SEM numuneleri biraz sonra daha detaylı bahsedeceğimiz üzere nispeten daha kolay ve pratik bir şekilde hazırlanabilirken, bir TEM numunesi mikron boyutlara kadar inceltilmekte ve ardından mikroskoba yerleştirilmektedir.

 

Elektron Mikroskoplarının Kullanıldığı Alanlar

Aslında sorunun tam anlamıyla belli kalıplar içerisine yerleştirilmiş bir yanıtını vermek oldukça zor. Zira günümüzde elektron mikroskopları biyolojik numunelerde, seramiklerde, metallerde, polimerlerde, tekstilde, kısacası mikro, nano veya atomik boyutta incelemelere gereksinim duyulabilecek her alanda kullanılabilmekte. Bu nedenle de, bu sorunun cevabını bir elektron mikroskobunda ‘nelere bakamayız’ın cevabını belirleyen limitlerden bahsederek verirsek eğer, çok daha açıklayıcı bir yanıta ulaşmış oluruz. İlk sınırlandırma olarak, eğer bir numuneyi elektron mikroskobunda incelemek istiyorsanız, öncelikle numunenin katı olması gerekiyor. Ayrıca numunelerin yerleştirileceği bölmeler belirli fiziki sınırlamalara sahip olduğundan bizim numunelerimiz de belirli boyutlar içinde olmak durumunda. Bu da örnek olarak SEM için yaklaşık 10 cm uzunluk 40 mm genişlik ile karşılık buluyor. Yani bir tuğlayı elektron mikroskobunda inceleyebiliriz ama bu tuğladan bir parça almamız gerekli. Ayrıca, incelenecek olan numunenin iletken (elektrik iletkenliği) olması gerekiyor. Numunenin kendisi iletken değilse veya iletkenliği zayıf ise SEM numuneleri genellikle karbon veya altın ile kaplanıyor. Bu kaplama için küçük bir ek kaplama cihazı adı verilen cihazlar kullanılıyor. Ancak bu kaplama oldukça ince bir tabakadan ibaret olduğu için numunenizi incelerken bu kaplama sizin aldığınız görüntülerde herhangi bir etki yaratmamakta sadece elektronlarınızın numunelerinizin üzerinde ahenkle dans etmesine yardımcı olmakta [6].

TEM’de incelenecek bir numunenin ise elektron geçirimini sağlaması açısından önce zımparalar yardımıyla inceltilmesi ardından da iyon inceltici de elektron geçirgenliği kazandırılmak üzere işlem görmesi gerekmektedir. İyon inceltici dediğimiz cihaz, SEM için kullandığımız kaplama cihazı gibi TEM için yardımcı cihazlardan birisidir. İyon inceltici, hali hazırda mekanik bir şekilde mikron seviyelere kadar incelttiğimiz numunelerimize, iyon bombardımanı göndererek aşındırmayı sağlamaktadır. Biyolojik numunelerde ise bunlardan çok daha farklı yöntemler uygulanarak numuneler TEM’e hazır hale getirilir [7,9]. Bu saydıklarımız gibi belirli engeller dışında, elektron mikroskobu ile inceleyemeyeceğimiz numune yoktur. Farklı çalışma parametreleri altında (voltaj, çalışma mesafesi gibi) incelenecek numuneler için çeşitli mikroskop modifikasyonları ya da çalışma ayarları mevcuttur (örnek olarak, eklentiler yardımıyla geliştirilmiş bir SEM ile bir malzemenin hangi elementleri içerdiğini bulabilirsiniz).

Bir elektron mikroskobunun temel prensibinden ve nerelerde kullanılabileceğinden yeterince bahsettik. Eğlenceli kısmı sona saklayalım dedim. Elektron mikroskobunda gerçekten her şey incelenir mi sorusunu soran okuyucular için ilk örneklerimiz SEM ile incelenen ve oldukça savaşçı bir görüntü veren bir Avustralya kenesinden geliyor, ardından yine biyolojik bir örnekle ama bu sefer “sıçrayan örümcekler” ailesinden Habronnattus ophrys örümceğinin sevimli surat ifadesi (araknafobisi olan ben söyleyebildim bunu!), vahşi batıdaki kaktüslere benzeyen ama aslında magnezyum oksitin büyüyen bir kristali, her ne kadar çimlerin üzerindeki güller gibi dursa da aslında zirkonyum oksit görüntüsü, adeta çıtır çıtır yemelik duran altın renkli titanyum dioksit parçacıkları ile devam ediyor ve okyanus tabanlarında bulunan sıcak su bacalarındaki sevimli (!) kurdumuz ile son buluyor.

Görebileceğimiz üzere biyoloji alanında SEM, oldukça sıklıkla kullanılan inceleme yöntemlerinden birisi. Ancak SEM, malzeme bilimi alanında da hayati sayılacak bir inceleme yöntemi. Bir tekstil ürününün anti-bakteriyel (bakteri üremesine engel) olması için eklenen gümüş nano parçacıklarından tutun da, bir plastik ambalajın mekanik olarak çok daha dayanıklı olması için eklenen nano parçacıkların incelenmesi gibi çok geniş bir alanda kullanılmakta. Bu arada belirtmekte fayda var ki, SEM incelemeleri gerçekleşirken alınan görüntüler her ne kadar siyah-beyaz olarak elde edilse de, bunların renklendirilmesi yönünde emek sarf eden araştırmacılar da var (bilim ve sanatın ahengi).

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=SIOOLXbwWME&w=480&h=360]

Bahsettiğimiz gibi SEM ile numunelerin yüzeylerinden görüntü aldığımız için çok daha ilgi çekici ve dekoratif tablo amaçlı kullanabileceğimiz çalışmalar mevcut. TEM ile yapılan çalışmalarda görüntülerdeki bilimsellik dolu dizgin iken ve sanatsallık ne yazık ki biraz daha azalıyor. Bunlara örnek vermek gerekirse, bir adet Marlburg virüsü ve Zn-Mg-H kristalimsi bizim fikir edinmemize yardımcı olacaktır.

Bahsettiklerimizi toparlamak gerekirse, SEM ve TEM kullanarak, bir kenenin yapısından, seramik bir yapının kırılma yüzeyine, bakterilerden nano parçacıklara, virüslerden, kristal yapılara kadar çok çeşitli numuneleri inceleyebilmekteyiz. Bugün hepimizin diline yerleşmiş olan nanoteknoloji kelimesinin, bu kadar yaygın bir şekilde kullanılabilmesi, ürünlerin ve araştırmaların istenilen seviyelere ulaşabilmesi elektron mikroskoplarında harcanan uzun mesailere ve zahmetli çalışmalara sıkı sıkıya bağlıdır. Bu nedenle “mikroskopçu” yetiştirmenin özellikle bilimsel anlamda büyümek isteyen ülkelerde en önemli unsurlardan biri olduğunun unutulmaması gerekmektedir. Glenn Richards’ın da dediği gibi, “Çok sayıda mikroskop var ama çok az sayıda mikroskop uzmanı var”.

Not: Son resimde hazır atomik düzen, kristal yapı terimleri geçmişken bir gezi tavsiyesi ile yazıyı bitirirsek güzel olur kanaatindeyim. Eğer bir gün yolunuz Brüksel’e düşerse mutlaka ama mutlaka Atomium’a uğrayın derim (yazar burada uktesinden bahsediyor). Atomium demir atomunun kristal yapısını temsil etmekte ve bilim ile mimariyi birleştirme noktasında bizlere güzel bir örnek teşkil etmekte.

Kaynaklar

[1] http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/timeline/index.html
[2] http://www.purdue.edu/rem/rs/sem.htm
[3] http://cbe.ivic.ve/mic250/pdf/thesebook-chap3.pdf
[4] http://www.jeolusa.com/DesktopModules/Bring2mind/DMX/Download.aspx?Command=Core_Download&EntryId=598&PortalId=2&TabId=320
[5] http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/tem/
[6] http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/SEM.html
[7] http://temsamprep.in2p3.fr/fiche/fiche.php?lang=eng&fiche=19
[8] http://merlab.metu.edu.tr/tem-oernek-hazirlama-uniteleri
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_beam