Lazer Teknolojileri
Lazer Işınlarının Oluşumu ve Özellikleri
Lazer, uyarılmış atomların fotonlarını yayınlama şeklini kontrol eden ve onları uyumlu bir huzme şeklinde oluşturan optik kaynaklardır. İngilizcede, “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”ın kısaltmasıdır. Yani lazerin nasıl çalıştığını da açıklayan “Uyarılmış Işıma ile Mikrodalga Yükseltici” anlamına gelmektedir.
Tarihte ilk olarak 1917 yılında Albert Einstein uyarılmış ışımayı öne sürmüştür. 1960 yılında Theodore Maiman optik frekansta lazer hareketini gerçekleştirmiş ve yakut lazeri bulmuştur.
Lazerin elde edilmesi için atomları uyarılma eşiğinin üzerine çıkarmak üzere enerji verilir. Genel olarak uyarılmış atomların seviyesi, temel seviyenin 2 ya da 3 seviye üzerindedir. Bu, popülasyon terslenmesinin (population inversion) seviyesini artıracaktır. Popülasyon terslenmesi, temel seviyedeki atomlara karşı uyarılmış atomların sayısıdır.
Uyarılmış atomlar, bulundukları yörüngelerden daha düşük enerjili yörüngelere düştüklerinde açığa çıkardıkları enerji, salınan fotonun enerjisine eşittir. Bu enerji fotonun dalga boyunu belirler, dolayısıyla da açığa çıkan ışığın rengini belirler.
Lazer ışığının özelliklerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:
> Tek renklidir, yani tek bir dalgaboyuna sahiptir.
> Koherenttir. Yani düzenlidir.
> Tek yönlüdür ve aynı zamanda çok güçlü, konsantre ve ince bir ışındır.
Lazer Çeşitleri
- Katkılanmış Yalıtkan Lazer
- Yarı İletken Lazer
- Gaz Lazer
- Darbeli Boya lazer
Lazerin Kullanım Alanları
- Üretim Teknolojileri
Tablo 1. Lazer Tipleri ve Kullanılan Gazlara Göre İmalat Sanayide İşlevleri
| Gazlar | Karbondioksit Lazeri | Nd:YAG Lazeri |
| Oksijen | Kesme | Kesme |
| Azot | Kesme | Kesme |
| Helyum | Kesme | Kaynak |
| Argon | Kesme | – |
İmalat sanayi kullanımındaki avantajları
- Birkaç mikron mertebesindeki bölgelere odaklanabilme kabiliyeti 10W/cm’nin üzerindeki yüksek güç yoğunluğu sebebiyle tungsten gibi yüksek ergime sıcaklığı olan metaller kendiliğinden ergirler ve ısıya duyarlı civar bölgeler üzerindeki etki minimuma iner.
- Lazer ışını temassız olarak çalışır, yani takım ile iş parçası arasında hiçbir mekanik temas oluşmaz ve iş parçasının istenmeyen alaşımlanması veya bozunumu önlenmiş olur.
- Kaynak süresi, iri taneli olma, tekrar kristalleşme ve segregasyon gibi uygun olmayan içyapı değişimlerine engel olacak ve hızlı üretimi sağlayacak kadar kısadır.
- Lazer ışının üretimi mikro plazma kaynağındaki gibi koruyucu gazların kullanılmasını, elektron ışını ile kaynaktaki gibi vakumun sağlanmasını gerektirmez.
- Bu sebepten bilhassa seri imalat için, üretim hızı, otomatize edilebilmesi imkânı gibi üstünlükleri vardır.
- Isı girdisi düşük olduğundan ısıdan dolayı gerçekleşecek metalürjik etkiler ve çarpılma düşük olacaktır.
- Elektroda ihtiyaç yoktur. Bu nedenle elektrottan kaynaklanacak kirlenmelerin önüne geçilmiş olmaktadır.
- Lazer ışını optik elemanlar kullanılarak kolaylıkla odaklanıp, doğrultulup yönlendirilebildiği için diğer kaynak yöntemleri ile ulaşılması zor olan yerlerde kaynak yapılabilmesini sağlar.
- Geniş bir malzeme aralığı ve bunların kombinasyonunu kaynaklamak mümkündür.
- Lazer ışını, elektron ışın kaynağında olduğu gibi manyetik alandan etkilenmez.
- Vakum veya X-ışını koruması gerektirmez.
- Bilişim Teknolojileri
Verilerin boyutları büyüdükçe daha hızlı ve daha güvenli veri aktarım yöntemleri üzerindeki çalışmalar artmaktadır. Bu alandaki en önde gelen alternatiflerden biri olan lazerle veri aktarımı konusunda çalışmalar aralıksız devam etmektedir.
İlk olarak 1990’larda çalışmalarına başlanan lazerle veri aktarımı, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerle geliştirilmektedir. Kısa mesafelerde saniyede 2.5 terabit veri transferi sağlayabilen sistemler geliştirilmiştir. Böylece süper hızlı veri transferi gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmeye başlanmıştır. Bu sistemlerle birlikte ikili sayı sistemiyle verileri 16 farklı ışık çeşidiyle yansıtmakta, resimlerinde her bir pikselini kodlayarak gönderilebilmekte ve karşı tarafta kodlar çalıştırılarak resimler açılabilmektedir.
Son zamanlarda özellikle sosyal medyada yüksek çözünürlükte veri paylaşımı kullanıcılar arasında yaygınlaşmaktadır. Bu sebeple özellikle sosyal medya şirketleri lazer tabanlı internet teknolojisi kullanarak hızı ve kaliteyi artırmayı hedeflenmektedir.
Ayrıca uydu haberleşmesinde kullanılan elektromanyetik dalgaların ve sinyallerin girişimlere duyarlı olması, mesafeye bağlı olarak enerjilerinde kayıpların yaşanması lazerle iletişimi önemli hale getirmiştir. Buna bağlı olarak, 18 Ekim 2013 tarihinde Ay ve Dünya arasında lazer ile veri iletimi gerçekleştirilmiştir. Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve NASA’dan bir grubun yaptığı çalışma sonucunda Dünya yüzeyinden Ay yüzeyine 622 Mbit/s veri gönderilmiştir.
- Sağlık Teknolojileri
1960’lı yıllarda cerrahi amaçlı ilk kullanılan lazer yüksek güçlü ve dokuda kolayca buharlaşma yapabilen CO2’li lazer olmuştur.
Lazerin Tedavi Amaçlı Kullanıldığı Alanlar
- Böbreklerde taş kırma,
- Kalp ve damar cerrahisi,
- Beyin cerrahisi,
- Sindirim sistemi rahatsızlıkları,
- Deri hastalıkları,
- Kulak burun boğaz hatalıkları,
- Ortopedik problemler,
- Estetik ameliyatlar.
- Savunma ve Uzay Teknolojileri
Lazer sistemleri savunma sanayide kullanımı yaygınlaşmaktadır. Özellikle yüksek enerjili lazerin imhası “soft death” yani “yumuşak ölüm” olarak adlandırmaktadır.
- Lazer takviyeli konvansiyonel kimyasal patlayıcı ateşli silahların geliştirilmesinde (lazer cihazları),
- Askeri kontrol, gözetleme, ölçme, analizlerin uygulanmasında (lazer cihazları),
- Dolaylı olarak askeri silahların, araç, gereçlerin üretim süreçlerinde (lazer üretim yöntemleri),
- Doğrudan kalıcı ya da geçici imha edici lazer silahların yapımlarında (lazer silahı).
Yüksek enerjili lazerlerin tespit edilmemesi sebebiyle gelişmiş ordularda lazer silahları lazer güdümlü füzeler kullanılmakta ve yüksek isabet oranıyla istenilen çözüm elde edilmektedir.
Lazer ile birlikte, tahribatsız olarak numunelerden kümülatif olarak bilgi alınabilmekte ve numunelerin atomik boyutta yapıları ortaya çıkarılmaktadır. Diğer taraftan atmosfer ve bileşenlerinin üç boyutta tespit ve teşhisi yapılabilmekte ve gerekli ölçüm hesaplamalar ortaya konmaktadır. Böylece havacılıkta kullanılan malzemelerin uygunluğu uçak, helikopter gibi araçların seyrüsefer kontrolleri lazer sistemleri aracılığıyla gerçekleştirilmektedir.
Savunma sanayide lazer füzelere veya bombalara üzerlerinde olan lazer algılayıcı sensörler ile yol göstermek, rota belirlemek amacıyla kullanılmaktadır. Ancak bugün özellikle uçaksavarlarda, deniz kuvvetlerinde, insansız hava cihazlarında, uçak ve helikopterlerde bir karşı savunma cihazı olarak kullanılmaktadır. Gücü 20 Kw ve üstü değerine ulaşabilen lazer silahlar bazı ordularda kullanılmaya başlamıştır.
- Hologram
Hologramlar, fazlasıyla ilgi çekicidir ve göze hitap etmektedir. Holografi, üç boyutlu dünyamızı iki boyutlu ortam üzerine kaydederek hiçbir yardımcı araç kullanılmasına gerek kalmadan çıplak gözle iki boyutlu ortam üzerinde her üç boyutu da görebilmemizi sağlayan kayıt ve görüntü teknolojisidir.
Hologram, orijinal objenin üç boyutlu gerçek kaydı, kısaca üç boyutlu lazer fotoğrafıdır. Başka bir deyişle; 3 boyutlu görsel bilginin lazer teknolojisiyle kaydedilmesi, depolanması ve hareket efektinin kazandırılarak çok boyutlu ortama aktarılması sonucu elde edilir.
Holografide uyumlu lazer ışınının pozitif teması ile dalga sınırlarını eşleştirerek kayıt yapılır. Bu üç boyutlu kayıt kırılmış bir şablon şeklinde oluşur; bir dizi çok ince çizgi veya tek merkezli daireler halindedir. Bu kırılma, ışığı bükerek lazer ışığının orijinal kaydın dalga sınırına geri gönderir. Objenin üç boyutlu görüntüsü hologram ışık olarak yapılanır. Hologram, fizik, kimya, basım, mühendislik gibi pek çok kavramın hepsini birden içinde barındırdığı için gelişmiş ve karmaşık bir üründür.
Hologramlar derinlik ve paraleks içerdiğinden, objeyi ve çevresindekileri daha da derinlik içinde görülmesini sağlar. Hologramların taranması, fotokopi yoluyla çoğaltılması veya aynısının basılması mümkün değildir. Hologramlar, aynı zamanda uygulandıkları yüzeyden ayrıldıklarında bozunuma uğramaktadır. Böylece hologramların amaç dışı kullanılması mümkün olmamaktadır.
Gelecekte, özellikle günümüzde kullanılan LED televizyonların yerini hologram teknolojisiyle çalışan televizyonların alması beklenmektedir. Ayrıca, lazerin görüntü teknolojilerinde kullanılmasının geliştirilmesiyle artırılmış/sanal gerçeklik uygulamalarında, bilgisayar oyunlarında hologram teknolojisinin kullanılması ve yaygınlaşması beklenmektedir.
1970’lerde “holografik veri depolama” yöntemini geliştirilmesiyle normal hologramlarda olduğu gibi bir nesnenin görsel kopyasını kaydetmek yerine bir veri dizisi kaydedilmektedir. 1 ve 0’dan oluşan ikili veri dizisi, aydınlık ve karanlıktan oluşan bir ışık dizisi olarak yansıtılmasıyla verinin depolama ve iletim işlemi gerçekleştirilmektedir. Gelecekte özellikle büyük verinin iletimi ve depolanması daha da önem kazanacağından holografik belleklerin kullanımı yaygınlaşacaktır.
Genel Değerlendirme ve Sonuç
Lazer teknolojisinin dünyada önemli bir çalışma alanı olarak her geçen gün önemini artırmaktadır. Ülkemizde üniversitelerimizde lazer çalışmaları ile ilgili kurulmuş olan araştırma merkezleri faaliyet göstermektedir. Bu araştırma merkezlerinde malzeme, sağlık ve imalat teknolojilerinde ileri düzeyde çalışmalar yapılmaktadır.
Diğer taraftan özellikle savunma sanayinde, takım tezgâhı üretimi yapan firmalarda lazer sistemleri konusunda çalışma yapan Bakanlığımız destekli Ar-Ge merkezleri de faaliyet göstermektedir.
Bu sebeple özellikle makine ve tıbbi cihaz ithalatı fazla olan ülkemizde lazerli sistemlerin geliştirilmesi yüksek katma değerli ürün üretimi ve ihracatını artıracaktır. Ayrıca savunma sanayinde lazer sistemlerine yönelik ürünlerin üretilmesi bu alandaki ihracat potansiyelimizi artıracaktır.
Kaynaklar
- “Lazer Nasıl Çalışır?”, www.elektrikport.com.tr
- Kaçar, Elif “Sanayide Lazer Uygulamaları ve Güvenliği” İş Sağlığı ve Güvenliği Sempozyumu, Ankara, 2015.
- “Lazer Kaynağı”, Sakarya Üniversitesi.
- Körpınar, M. Ali. “Lazerin Biyofiziksel Özellikleri ve Medikal Uygulamaları”.
- TÜBİTAK MAM, Lazer Teknolojileri Laboratuvarı.
- TÜBİTAK BİLGEM, Elektro-Optik Lazer Sistemleri.
Kuantum Bilgisayarlar
İnsanlar tarih boyunca özellikle ticaret konusunda sayısal hesaplamalara yardımcı olacak araçlar aramıştır. Abaküsün kullanılmasıyla bu yolculuk başlamıştır. 1940’lı yıllarda ise ilk dijital bilgisayar kullanılmaya başlanmıştır. İlk yıllarda işlemcilerin hızları 1-20 MHz arasında idi. Şuan standart ev/ofis bilgisayarlarının işlemci hızları GHz ile ölçülmektedir. Ayrıca sadece işlemcilerin hızları değil mimarileri de çok büyük bir değişime uğramıştır ve en basit örnek ise şu anki işlemcilerin çok çekirdekli olmalarıdır bu da problemler eğer birden fazla parçaya ayrılabiliyorsa o zaman çoklu çekirdekler hesaplamaların çok daha hızlı yapılmasına olanak sağlıyor demektir. Ancak son yıllarda teknolojinin hızlı bir şekilde gelişiyor olması, nesnelerin internetinin daha fazla konuşulması, yapay zekâ, makine öğrenimi örneklerini artması ve verilerin artık işlenmesinin çok zaman alması insanları yeni bir teknolojinin kullanımına itmiştir. Bazı noktalarda geleneksel bilgisayarların hatta süper bilgisayarların hesaplama gücü artık yetersiz kalmaya başlamıştır ve başlayacaktır. Bu sebeple kuantum bilgisayarlar konusunda çalışmalar hız kazanmıştır.
Kuantum Bilgisayar Nedir?
Kuantum bilgisayarlar, işleme bilgisine yeni bir yaklaşım getiren inanılmaz derecede güçlü makinelerdir. Kuantum fiziğinin prensiplerini kullanır ve geleneksel bilgisayarların çok ötesinde bir hesaplama gücüne sahiptir.
Kuantum bilgisayarlarda, bir qubit kuantum bilgisinin birimidir. Bir kuantum sistem klasik bitleri kuantum bitler (qubitler) ile değiştirir. Klasik bitler 0 ya da 1 değerini alabilirken qubitler süperpozisyon yöntemini izler ve aynı anda hem 0 hem de 1 olarak var olabilir yani aynı anda tüm olasılıklara sahiptirler. Bu, kuantum hesaplamanın gücünün anahtar unsurudur ve qubitleri kullanan bir bilgisayarın, klasik bir bilgisayardan daha az enerji kullanarak çok daha büyük miktarda bilgi depolayabileceği anlamına gelmektedir. Qubitlerin bu durumunun sebebi ise kuantum bilgisayarların yukarı spin, aşağı spin veya hem yukarı hem de aşağı spinli durumda olan elektron spinine veri kaydedebilmesidir. Bu yüzden de kuantum bilgisayarların temel veri birimine bit değil qubit denmektedir.
Kuantum bilgisayarlarda bitler yerine qubitler kullanılarak tek bir veri girişi ile istenen veri çıktısı çok daha hızlı elde edilir. Örneğin; 4 klasik bit ile 16 farklı kombinasyon tek tek denenerek istenen 4 bitlik veri çıktısı elde edilebiliyorken 4 qubit ile bir kuantum bilgisayarın üstlenebileceği hesaplamaların sayısı 2n (n=qubit sayısı) olduğu için 16 farklı kombinasyon aynı anda elde edilmektedir. Bu sayede kuantum bilgisayarlar karmaşık problemleri geleneksel bilgisayarlara göre çok daha hızlı çözmektedirler. Örneğin; gelecekte 5000 qubitlik bir bilgisayar oluşturulursa üstlenebilecek hesaplamaların sayısı 25000 gibi çok büyük bir sayı olacaktır ve çok karmaşık problemlerin altından kalkmak çok daha kolay olacaktır.
Kuantum Algoritmalar
Kuantum bilgisayarlar geleneksel algoritmaları çalıştırabilse de sonuç, özel kuantum algoritmalarını kullanırken olduğu kadar verimli olmayacaktır. Teori olarak, kuantum algoritmaları yirmi yıldan uzun süredir araştırma konusu olmuştur. Şu anda, Shor ve Grover gibi kuantum bilgisayarlara ayrılmış çeşitli algoritmalar bulunmaktadır.
Geleneksel bilgisayarlar sıralı olarak çalıştıklarından, çok büyük veya karmaşık sorunların üstesinden gelmek için pratik değildirler. Örneğin, çok büyük sayıları asal çarpanlarına ayırmak için bilinen bir çözüm yoktur; bilgisayarlar sadece deneme yanılma yoluyla tahmin etmek zorundadır ve denemelerin sayısı rakamların sayısına bağlı olarak eksponansiyel şekilde artarak büyür. Geleneksel bilgisayarların aksine, kuantum bilgisayarlar problemlere aynı anda odaklanır; aslında tüm olası çözümleri bir kerede ele alır ve çalışmayanları atar. Bazı problemler için, bir kuantum işlemcisi için çözüm süresi, boyutların sayısına bağlı olarak eksponansiyel olarak değil, doğrusal olarak büyür bu da büyük bir hız avantajı sağlar. Büyük bir sayının asal çarpanlara ayrılması, kuantum yaklaşımıyla (Shor algoritması olarak bilinen belirli bir matematik çözümü) çok kısa sürelerde çözülebilen bir üstel hesaplama problemidir.
Makine öğrenimi uygulamaları için kritik olanlar da dâhil olmak üzere, yapılandırılmamış aramayı içeren problemleri çözmek için gereken süre, problem büyüklüğü ile eksponansiyel olarak artmaktadır. Grover algoritması gibi kuantum matematik çözümleri, yapılandırılmamış arama için orta seviyede bir hız avantajı (problem büyüklüğünün karekökü ile orantılı olarak) vaat ediyor. Bugün, büyük ölçekli arama ve makine öğrenimi problemleri Nvidia gibi şirketler tarafından üretilen birden fazla çok büyük, özelleştirilmiş grafik işleme birimleri aracılığıyla ele alınmaktadır.
Kuantum Bilgisayarların Değiştireceği Alanlar
Şuan geleneksel bilgisayarlarda yapıldığı gibi, sorunları adım adım yavaşça gidermek yerine, kuantum bilgisayarlar tüm sorunu tek seferde ele almaktadır. Bu, finansal hizmetlerden ulusal güvenliğe kadar her alanda çok büyük gelişmeler için kapıyı açmaktadır.
Belki de kuantum bilgisayar şirketi D-Wave’in kurucu ortağı Eric Ladizinsky, WIRED 2014 konferansında sıradan bir bilgisayar ve kuantum bilgisayar arasındaki farkları en iyi şekilde açıklamıştır. “Kongre Kütüphanesi’ndeki 50 milyon kitap arasındaki bir kitabın bir sayfasına yazılmış bir X’i bulmak için sadece beş dakikanız olduğunu hayal edin. Bu senaryoda, normal bir bilgisayar olacaksınız ve X’i asla bulamayacaksınız. Ancak, eğer 50 milyon paralel gerçekliğe sahip olsaydınız ve bu gerçekliklerin her birinde farklı bir kitaba bakabilseydiniz (bir kuantum bilgisayar gibi), X’i bulurdunuz. Bir kuantum bilgisayar, işi hızlı yapmak ve kolay hale getirmek için sizi 50 milyon versiyonunuza ayırır.”
-Çevrimiçi Güvenlik
Kuantum bilgisayarlar, mevcut bilgisayarlardan tamamen farklı ilkeler üzerinde çalışırlar, bu da onları çok büyük asal sayıları bulmak gibi belirli matematik problemlerini çözmek için çok uygun hale getirir.
Kuantum bilgisayarların yaygın olarak benimsenmesi durumunda çevrimiçi güvenlik için iyi ve kötü taraflar olacaktır. Kötü olan kısım mevcut veri şifreleme teknikleri artık kullanılmayacaktır. Şu anda, çevrimiçi güvenlik yöntemlerinin çoğu, bilgisayarların şifre için büyük sayıları üretmesinden dolayı için “kodu kırmak” için olağanüstü zaman harcandığı gerçeğine güvenmektedir. Asal sayılar kriptografide çok önemli olduğu için, kuantum bilgisayarların, çevrimiçi bilgilerimizi güvende tutan pek çok sistemi çabucak çözmesi olasıdır. Kuantum bilgisayarlar bu bilgileri bilgisayarlarımız, finansal kurumlarımız ve özel bilgilerimizi savunmasız bırakarak hızlı bir şekilde işleyebilecektir. Bu risklerden dolayı, araştırmacılar kuantum hacklemeye karşı dayanıklı teknolojiyi geliştirmeye çalışmaktadırlar.
İyi olan taraf ise, bir mesajı deşifre etmek için bir anahtar gerektiren ultra güvenli bir iletişim yöntemi olan kuantum anahtar dağıtımı gibi kuantum şifreleme yöntemleri geliştirmek için önemli çalışmalar yapıldığıdır. Kuantum mekaniğinin kendine has özellikleri sayesinde, mesajın kesilmesi durumunda, başka kimse okuyamamaktadır.
-Büyük Veri
Her gün yaklaşık 4 exabyte veri üretilmektedir. Bu ortalama 400.000 büyük kütüphane ya da 8 milyon dizüstü bilgisayar içeriğine denk. Her günün her dakikasında 4 milyardan fazla küresel internet kullanıcısı mesaj göndererek, fotoğraf ve video çekerek, belge kaydederek, paylaşım yaparak veri merkezlerini beslemeye devam etmektedir. Büyük veri, karmaşıklık ve hacimde, hesaplama kaynaklarından daha hızlı büyümektedir.
Veri kümelerimizin karmaşıklığı ve boyutu, bilgi işlem kaynaklarımızdan daha hızlı büyümekte ve bu nedenle bilgi işlem yapımıza ciddi bir yük katmaktadır. Günümüzün bilgisayarları bazı problemleri çözmekte zorluk yaşıyor ya da çözemiyorken, aynı problemlerin kuantum hesaplamanın gücü ile saniyeler içinde çözülmesi beklenmektedir.
Büyük verinin üstesinden gelmek için farklı bir hesaplama yaklaşımına ihtiyaç duyulan ve bilgisayar mimarimizi değiştirmemize sebep olan büyük veri artışının olduğu bir noktada bulunulmaktadır. Yalnızca kapsamının daha büyük olması değil, çözülmeye çalışılan sorunlar da çok farklı. Kuantum bilgisayarlar sıralı problemleri verimli bir şekilde çözmek için daha donanımlıdır.
Ayrıca, çok farklı veri kümelerinin entegrasyonu nedeniyle kuantum bilgisayarların mevcut olması durumunda büyük atılımlar beklenmektedir. Her ne kadar insan müdahalesi olmadan bunun olması zor olsa da, insanların katılımı, bilgisayarların gelecekte verileri nasıl entegre edeceğini öğrenmesine yardımcı olacaktır. Dolayısıyla, kendilerine bağlı benzersiz bir şemaya sahip farklı ham veri kaynakları varsa ve bir araştırma ekibi bunları karşılaştırmak istiyorsa, bir bilgisayar verileri karşılaştırmadan önce şemalar arasındaki ilişkiyi anlamak zorundadır. Bunu başarmak için, yapay zekâda en büyük zorluklardan biri olan doğal dilin semantiklerinin analizinde atılımlar gerçekleşmelidir. Ancak, insanlar gelecekleri için sistemi eğiten girdiler verebilir.
-Yapay Zekâ
Yapay zekâ, özellikle makine öğrenimi, öğrenme için büyük veri setlerine dayanır, fakat aynı zamanda öğrenme sürecini eksponansiyel şekilde hızlandırmak için kuantum hesaplamadan yararlanır.
Makine öğrenimini geliştirmek için kritik öneme sahip olan bilgi işleme, kuantum hesaplama için idealdir. Kuantum bilgisayarlar, yapay zekâ makinelerinin performanslarının iyileştirilmesi için gereken geri bildirimi sağlamak için büyük miktarda veriyi analiz edebilir. Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlardan çok daha verimli geri bildirim sağlamak için verileri analiz edebilir ve bu nedenle yapay zekâ makineleri için öğrenme eğrisi kısalır. Tıpkı insanlarda olduğu gibi, kuantum bilgisayarlardan elde edilen bilgilerle desteklenen yapay zekâ makineleri deneyimlerden ve kendi hatalarını düzelterek öğrenebilirler. Kuantum bilgisayarlar yapay zekânın daha fazla sektöre yayılmasına yardımcı olacak ve teknolojinin çok hızlı bir şekilde daha sezgisel olmasına yardımcı olacaktır.
-İlaç Geliştirme ve Kimya
Etkili bir ilacın geliştirilmesi amacıyla kimyagerler, ilaçların belirli koşulları veya hastalıkları iyileştirip iyileştirmediğini görmek için, moleküller, proteinler ve kimyasallar arasındaki etkileşimleri değerlendirmek zorundadırlar. Analiz edilen olağanüstü miktardaki kombinasyonlar nedeniyle, bu zaman ve emek yoğundur. Kuantum bilgisayarlar aynı anda birden çok molekülü, proteini ve kimyasalları inceleyebildiğinden, kimyagerlerin uygun ilaç seçeneklerini daha hızlı belirleyebilmelerini mümkün kılmaktadır. Kuantum hesaplama, bir kişinin genlerinin bugün kullandığımız yöntemlere göre çok daha hızlı sıralanmasına, analiz edilmesine ve kişiselleştirilmiş ilaç gelişimini sağlar.
Araştırmacılar, geleneksel süper bilgisayarların pek de iyi olmadığı bir görev olan karmaşık kimyasal reaksiyonları modellemek için kuantum bilgisayar kullanma ihtimalinden söz etmektedirler. Temmuz 2016’da, Google mühendisleri, bir hidrojen molekülünü ilk kez simüle etmek için bir kuantum cihaz kullandılar ve onlardan sonra IBM, daha karmaşık moleküllerin davranışlarını modellemeyi başardı. Araştırmacılar, eninde sonunda tıpta kullanılmak üzere tamamen yeni moleküller tasarlamak için kuantum simülasyonları kullanabileceklerini umuyorlar. Ancak kuantum kimyagerler için belki de en önemli şey, Haber-Bosch sürecini – hala nispeten verimsiz olan yapay olarak amonyak üretmenin bir yolu – modellemektir. Araştırmacılar, bu reaksiyonun içinde neler olup bittiğini öğrenmek için kuantum mekaniğini kullanabilirlerse, süreci daha verimli hale getirmek için yeni yollar bulabileceklerini umuyorlar.
-Hava Durumu ve İklim Değişikliği Tahminlerinin İyileştirilmesi
Karmaşık araçlarla bile, hava tahminleri bir tahmin oyunu olarak kalmaktadır. Kuantum bilgisayarlar tüm verileri bir kerede analiz edebildiğinden, meteoroloji uzmanları, insanların hayatlarını kurtarmak, ızdırapları ve oluşabilecek para kaybını önlemek için kötü havanın ne zaman insanları vuracağı konusunda daha iyi bir fikre sahip olacaklardır. Birleşik Krallık’ın ulusal hava durumu servisi olan UK Met Office, tahminlerin iyileştirilmesine yardımcı olmak için kuantum hesaplama teknolojisine çoktan yatırım yapmış durumda. İklimi nasıl etkilediğimize dair daha fazla bilgi edinebiliriz, çünkü kuantum bilgisayarlar daha iyi iklim modelleri oluşturmamıza yardımcı olacaktır. İşlerin beklenen şekilde nasıl değişeceğini ne kadar erken bilirsek, iklim değişikliği ve etkisine o kadar iyi hazırlıklı oluruz ve cevap veririz.
-Trafik Kontrolü
Havada veya yerde olsun, kuantum bilgisayarlar trafik kontrolünü kolaylaştırmaya yardımcı olacaktır. Verimli zamanlamaya olanak tanıyan ve trafik sıkışıklığını azaltan optimum rotalar eşzamanlı olarak hızlı bir şekilde hesaplanabilecektir. Benzer nedenlerle, kuantum bilgisayarlar tedarik zincirlerini, hava trafik kontrolünü, filo operasyonlarını ve teslimatları optimize etmek için çok güçlüdür.
Kuantum Bilgisayarların Geleneksel Bilgisayarlara Kıyasla Sahip Olduğu Avantajlar
Kuantum bilgisayarlar atomları ve atom altı parçacıkları fiziksel sistemleri olarak kullanırlar ve hesaplamada bitler yerine qubitler kullanıldığı için çok daha fazla bilgi daha hızlı şekilde işlenir. Bir kuantum bilgisayar, geleneksel bir süper bilgisayarın binlerce veya milyonlarca yıl sürecek hesaplamalarını saniyeler içinde çözebilir. Mevcut süper bilgisayarlar, 20 qubit veya daha azına sahip bir kuantum bilgisayar kadar iyi performans gösterebilir, fakat 50 qubit itibariyle kuantum bilgisayarlar üstünlük kazanacaktır.
Kuantum bilgisayarların ilk pratik uygulamalarından biri kriptografi olacaktır. Kuantum kriptografi veya daha doğru bir şekilde kuantum anahtar dağılımı, iki uzak nokta arasında bir şifreleme anahtarının dağıtımı için bir dizi protokol olup kuantum fiziği yasaları yoluyla iletimin güvenliğini sağlar. İletişimde yeni bir dönem vaat eden kuantum kriptografinin potansiyeli şimdiden ortaya çıkmıştır. Son zamanlarda Çinli araştırmacılar, kuantum anahtar dağılımının ilk uygulamasını, kuantum dolaşıklığı sayesinde, 1200 km’nin üzerinde bir mesafeden hacklenemez şekilde kodlanmış bir mesaj ileterek gerçekleştirdiler.
Kuantum işlemciler, tasarımları sayesinde güç tüketimini 100 ile 1000 arasında bir oranda önemli bir ölçüde azaltmaları mümkün olabilecektir.
Kuantum Bilgisayar Teknolojisinde Şu Anki Durum
Bu teknoloji için büyük oyuncular masada yer almaktadır. IBM 2017’nin sonlarında 50 qubitlik kuantum bilgisayarı ve Intel yakın bir zamanda 49 qubitlik bir yonga duyurdu. Intel ayrıca silikondan kuantum çipleri üretmenin bir yolunu bulduğunu açıkladı ve bu da mevcut üretim yöntemlerini kullanarak çip üretmeyi daha kolay hale getirdi. IBM ve Intel sadece 2 ay sonra, Google tarafından 72-qubit işlemci olan Bristlecone yongasıyla yarışın dışarısında bırakıldılar. Microsoft, MIT, Yale ve Oxford gibi diğer büyük teknoloji şirketleri ve araştırma enstitüleri de bu alanda aktif olarak yer almaktadır.
Kuantum hesaplama hiçbir şekilde iki atlık bir yarış değildir. Kaliforniyalı startup Rigetti, sadece qubit sayısından ziyade kendi sistemlerinin istikrarına odaklanmaktadırlar ve insanların gerçekten kullanabileceği bir kuantum bilgisayar oluşturan ilk şirket olabilirler. Vancouver merkezli bir şirket olan D-Wave, pek çok araştırmacının D-Wave sistemlerini gerçek kuantum bilgisayar olarak kabul etmiyor olmalarına rağmen, 2000 qubitlik sistem oluşturmuştur.
Kuantum Bilgisayarların Geleceği
Kuantum matematiği kullanan algoritmalar, arama, kriptografi ve makine öğrenimi gibi alanlarda veri yoğun uygulamaları büyük ölçüde hızlandırarak değerlerin kilidini açabilir. Gelecekte, kuantum kuzenlerini yardım için çağıran klasik bilgisayarlardan oluşan hibrid sistemler, günümüzde zor olan sorunları çözecektir.
Kuantum bilgisayar pazarının üç kuşak boyunca gelişmesi beklenmektedir. İlk olarak, 2018’den 2028’e, mühendisler, düşük karmaşıklık simülasyonları gibi uygulamalar için tasarlanan evrensel olmayan kuantum bilgisayarlar geliştirilecektir. Bu bilgisayarların çoğunun gelişimi önümüzdeki birkaç yıl içerisinde gerçekleşecek ve ikinci nesil gelene kadar kullanımda olacaktır.
İkinci nesil (2028–2039) kuantum bilgisayarların 50 mantıksal qubite kadar ölçeklendikleri ve klasik hesaplama üzerinden “kuantum üstünlüğü”ne sahip oldukları, yani spesifik uygulamalarda belirli algoritmaları daha hızlı gerçekleştirebilecekleri dönem olacaktır. Bu ikinci nesil kuantum bilgisayarlar, moleküler simülasyon, Ar-Ge ve yazılım geliştirme gibi sorunlara odaklanacaktır. Bu dönemde, kullanılabilir uygulamalar piyasaya çıkacak ve önemli bir değer yaratacaktır. Aynı zamanda, kuantum bilgi işleme bir alan olarak daha da gelişecek ve şirketler kuantum simülasyon yöntemlerine daha aşina olacaklardır.
Üçüncü kuşakta (2031–2042) kuantum bilgisayarlar, klasik yöntemlere göre önemli avantajlarla, simülasyon, arama ve optimizasyonda ticari kullanım için gelişmiş simülasyonlar gerçekleştirmek için gerekli ölçeğe ulaşacaklardır. Moore Kanununun ölçeklendirilmesi ve kuantum hesaplamanın belirli uygulamalarda ikili hesaplamanın üstesinden geldiği eşikler nedeniyle, ikinci ve üçüncü kuşaklar arasında ciddi bir çakışma vardır. Genel bir yörünge olarak, yaklaşık 2030’dan sonra kuantum hesaplamada on yıl süren istikrarlı bir ilerlemenin ardından önemli bir ivme beklenmektedir.
Sonuç
Kuantum bilgisayarlar, dijitalleşmenin hızlı bir şekilde artması ile beraber ortaya çıkacak büyük sorunların çözümü için büyük önem teşkil etmektedir. Çünkü geleneksel bilgisayarların hesaplama gücü, dijitalleşmenin hızı karşısında şimdiden yetersiz kalmaya başlamıştır. Şuan büyük firmaların bu teknolojinin geliştirilmesi konusunda büyük bir yarış içerisinde olması, teknolojinin piyasada daha erken kullanılabilir hale geleceğinin bir göstergesidir. Ayrıca kuantum bilgisayarların diğer işletmelere ve hatta tüketicilere daha iyi kararlar verebilmelerini sağlayan gücü, diğer şirketleri de bu teknolojiye yatırım yapmaya ikna etmek için gerekli olan unsur olacaktır.
Kaynakça
1. https://www.research.ibm.com/ibm-q/learn/what-is-quantum-computing/
5. https://towardsdatascience.com/quantum-machine-learning-90628c5804fe
6. https://edgylabs.com/11-facts-help-explain-quantum-computers
7. http://www.wired.co.uk/article/quantum-computing-explained
8. https://www.bcg.com/publications/2018/coming-quantum-leap-computing.aspx
10. http://www.nea.com/blog/quantum-computing-time-for-venture-capitalists-to-put-chips-on-the-table
3 Boyutlu (3D) Yazıcılar
Günümüzde, katmanlı üretim teknolojileri (additive manufacturing technologies) kullanılarak geleneksel talaşlı üretim yöntemlerine kıyasla çok daha az malzeme girdisi ile daha esnek tasarımlara sahip ürünler üretilebilmektedir. Bu teknolojiyi esas almakta olan 3 boyutlu yazıcılar ilk olarak 80’li yıllarda kullanılmaya başlanmış ve günümüze kadar hızlı bir şekilde geliştirilmiştir. Bu gelişmeler sonucunda katmanlı üretim teknolojisinin sanayi sektöründeki alanı da büyümeye devam etmektedir.
Katmanlı İmalat Yöntemleri
3 boyutlu yazıcılar, sahip oldukları tekniğe ve kullanılan malzemelere bağlı olarak farklılık göstermekte olup bu teknolojilerden en sık kullanılanları şunlardır:
1. FDM (Ergitilmiş Katman Modelleme-Fused Deposition Modelling): Dünya genelinde okullardan hastanelere çok geniş bir kullanım alanına sahip 3 boyutlu yazıcı çeşididir. FDM’ler, filament adı verilen termoplastik polimerlerden yapılan malzemelerle çalışır. En çok tercih edilen filamentler ABS ve PLA’dır, ayrıca Naylon, PETG, PVA, FLEX gibi filamentler de kullanılmaktadır.[1] FDM’ler, filamenti ekstrüder adı verilen itici ve ısıtıcı ekipmandan geçirerek ergimiş hale getirir ve baskı tablası üzerinde katman katman işleyerek katı modeli oluşturur. FDM yazıcılarda baskı sırasından sarkma oluşmaması için destekler kullanılır. Bu destekler baskı bittikten sonra sökülmektedir. Bu işlem sonucunda ürün üzerinde fiziksel bozulmalar yaşanabilmektedir.
Ülkemizde de tüm dünyada olduğu gibi 2009 yılı itibarıyla patent süresinin dolmasıyla birlikte FDM tipi yazıcıların kullanımı yaygınlaşmıştır. FDM makineleri, genellikle hızlı prototipleme ve az sayıda seri imalat durumlarında tercih edilmektedir [2]. Ayrıca bu makineler eğitim, hobi gibi alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.
Şekil 1. Yerli Üreticiye Ait FDM Tipi Bir 3D Yazıcı
2. SLA (Lazer Stereolitografi-Stereolitgography): Katmanlı üretim metotları içerisinde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. SLA makinelerinde FDM’de olduğu gibi, ağırlıkla plastik ve polimer malzemeler kullanılmaktadır. SLA tipi 3 boyutlu yazıcılarda, lazer ışını kullanılarak sıvı fotopolimer malzemelerde lokal katılaştırma gerçekleştirilir. Bu işlem tüm katmanlar için uygulanır ve belirlenmiş tasarımda katı model oluşturulur. Bu yöntemle alınan baskılarda yüzey kalitesi yüksektir; ancak, fotopolimer çok kararlı bir malzeme değildir ve mekanik özelikleri değişkendir. Hızlı prototip ve bazı kalıp uygulamalarında tercih edilebilir. Ticari olanları genellikle birkaç bin Dolara mal olmaktadır.
Şekil 2. SLA makinelerinin tezgâh yapısı
3. SLS (Lazer ile Sinterleme-Selective Laser Sintering): Güçlü bir katı model oluşturmak için kaynak olarak lazer ve toz malzeme kullanır. SLS makineleri, lazer kullanarak toz malzemenin kaynama noktasının hemen altında, toz içindeki partikülleri bir katı formda bir araya getirir. Baskı platformu aşağı hareket eder ve bir silindirin yardımı ile üst katman homojen bir şekilde tozla kaplanır. Katılaşmış tozun ardışık katmanlarının kademeli olarak bu şekilde eklenmesiyle istenen model üretilir. Model üretimi tamamlandıktan sonra fazla toz malzeme süpürülür (kumlama veya fırçalama işlemi) ve yeniden kullanılmak üzere saklanır. SLS makineleri ile sadece plastik değil seramik, cam ve hatta alüminyum, paslanmaz çelik, titanyum, nikel alaşımı, kobalt krom gibi çeşitli metal malzemelerle de baskı alınabilir. Ekonomik olanlarının fiyatları 12.000 Dolar ila 33.000 Dolar arasında değişmektedir.
Şekil 3. SLS Makinelerinin Tezgâh Yapısı
SLS’nin diğer bir varyasyonu ise kaplama işlemi (cladding) olarak adlandırılır.
4. SLM (Lazer ile Ergitme-Selective Laser Melting): Katmanlı üretim teknolojisinin, çeşitli yapısal karmaşık şekillendirilmiş metal bileşenleri üretmek ve farklı alanlardaki uygulamaları için yüksek talep gereksinimlerini karşılamak üzere geliştirilmiştir [3]. Sinterleme metoduna benzemektedir. SLM’nin, SLS makinelerinden tek farkı, toz parçacıkları lazer ile tam ergiterek katmanlar arasında birleştirmesidir. Malzeme daha yüksek sıcaklıklara maruz bırakıldığı için yanıcı ve tutucu gazların oluşumunu engellemek adına makinenin içinden dışarıya havalandırma hattı bulunur ya da içine Ti, Mg gibi koruma malzemeleri eklenir [4]. Bunun dışında üretim yöntemleri benzer olduğundan tezgâh yapılarının da benzer olduğu söylenebilir. Havacılık, otomotiv ve biyomedikal gibi sektörlerde kullanılmaktadır.
Şekil 4. SLM Makinelerinin Tezgâh Yapısı
5. LMD (Lazer Metal Biriktirme-Laser Metal Deposition): Bu sistemde, toz halindeki ham metal, istenilen noktalara lazer veya elektron ışını gibi enerji kaynakları ile ısıtılıp eritilerek püskürtülür. Lazer Kaplama (Laser Cladding), Yönlendirilmiş Enerji Birikimi (Directed Energy Deposition), Lazer Metal Biriktirme (Laser Metal Deposition) olarak da adlandırılmaktadır. Bu yöntem, kullanılan tezgâhın kabiliyetine göre 100 μm kadar ince yapıların oluşturulmasına yönelik oldukça hassas kontrol edilen bir yöntemdir. SLM sistemlerin aksine bu yöntemde metal biriktirilen yüzey/yapı çok fazla ısıtılmaz. Bu teknolojiyle var olan bir yapıya zarar vermeden kaplama ve tamiratlar yapılabilmektedir.
Şekil 5. LMD Teknolojisi
Sanayide yaygın olarak kullanılan 3 boyutlu yazıcılar; polimer ve metal ürünlerin üretiminde kullanılan yazıcılardır. Bu tip makineler ülkemizde %79 oranında prototiplemede kullanılmaktadır. SLS ve SLM makineleri, metal ürün imalatında kullanılan en yaygın 3 boyutlu yazıcı çeşitleridir. Günümüzde yapılan katmanlı üretim teknolojisi ile ilgili Ar-Ge çalışmaları genellikle metal parçaların üretiminde yoğunlaşmaktadır.
Ülkemizde sac işleme makineleri konusunda önemli bir konuma sahip olan ERMAKSAN firması, 3 boyutlu yazıcılarla ilgili olarak Bakanlığımız teşvikleriyle desteklenen Ar-Ge çalışmalarının neticesinde SLM teknolojisine sahip yazıcı üretmiş ve bu ürünün ticarileşmesini sağlamıştır [5]. ERMAKSAN tarafından yakın zamanda toz beslemeli lazer eritmeli sistemler (LMD tipinde) üzerine de Ar-Ge faaliyetlerine başlanmıştır. Bu teknolojinin önümüzdeki dönemde havacılık, petrokimya ve savunma sanayilerinde kullanılan kritik parçaların yeniden temin edilmesi yerine bunların revizyonlarının yapılmasını sağlayacak olması nedeniyle ülke ekonomisine önemli düzeyde katkıda bulunulması beklenmektedir.
Ülkemizdeki mevcut 3 boyutlu yazıcı pazarı ağırlık olarak yurtdışı menşeili ürünlerden oluşmakta olup önümüzdeki günlerde yerli markaların pazardan makul bir düzeyde pay alacakları ve bu payı önümüzdeki yıllarda artıracakları tahmin edilmektedir.
2018 yılında, 3 boyutlu yazıcıların ekonomik ve stratejik konumu göz önünde bulundurularak “kauçuk veya plastiğin işlenmesine veya kauçuk veya plastikten eşyanın imaline yönelik 3 boyutlu yazıcılar” için yeni bir Gümrük Tarifesi İstatistik Pozisyonu (GTİP) açılmıştır. Ancak metal, seramik vb. malzemeleri kullanan yazıcıların dış ticareti ise “diğer makinalar” için kullanılan bir kod üzerinden sağlanmakta olup Türkiye’deki pazar büyüklüğünün 22,5 milyon Dolar olduğu belirtilmektedir.
Tablo 1. 3 Boyutlu Yazıcılar İçin Kullanılan G.T.İ.P. Kodları
| G.T.İ.P. Kodu | Açıklama |
| 8477.80.99.00.11 | Üç boyutlu (3D) yazıcılar |
| 8479.89.97.90.00 | Diğer makinalar |
Dünya genelinde 2017’deki metal ürün imalatında kullanılan 3 boyutlu yazıcı satışları 950 adetten 1.800 adetlere yükselmiştir. Sektör yıllık ortalama %30-40 arasında büyüme göstermektedir. Toplam 3 boyutlu yazıcı pazarının 2018’de 8 milyar Dolar, 2020’de ise 12-20 milyar Dolar olması öngörülmektedir.
Kaynakça:
[1] https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling#read-chain
[2] STM, Sektör Değerlendirme Raporu: Katmalı İmalat Teknolojileri ve Havacılık Uygulamaları, 2016.
[3] Manfredi D. ve arkadaşları, On the Selective Laser Melting (SLM) of the AlSi10Mg Alloy: Process, Microstructure, and Mechanical Properties. Torino, 2017.
[4] https://www.additively.com/en/learn-about/laser-melting
[5] Ermaksan, http://www.ermaksan.com.tr/tr-TR/
[6] 3D HUBS, https://www.3dhubs.com
Endüstriyel Robot Teknolojisi
Son 10 yılda robot teknolojilerinde yaşanan gelişmeler sanayi sektörlerini üretim kabiliyetleri açısından olağanüstü bir biçimde değiştirmiştir. Robotlar eskiden ağırlıklı olarak üretim verimliliğini, kalitesini artırmak ve üreticilerin operasyonel maliyetlerini düşürmek adına karmaşık, tekrarlayıcı veya tehlikeli görevleri yerine getirmek için geleneksel olarak kullanılmaktayken endüstriyel robot pazarı artık nesnelerin interneti (IOT) tarafından yönlendirilen yeni bir dönüşüm sürecini yaşamaktadır.
Elbette, artan iş gücü maliyeti ve gelişmekte olan ülkeler arasındaki zorlayıcı rekabet de birçok şirketi verimliliği artırmak adına endüstriyel robot kullanımına yönlendirmektedir.
Endüstriyel robotlar sanayinin her alanında ve üretimin her aşamasında kullanılır hale gelmiştir. Otomotiv sektöründe montaj, boya, kaynak, kalite kontrol aşamalarında; elektronik sanayinde montaj, kalite kontrol, boya, nakliye, paketleme; gıda sanayinde üretim, paketleme, nakliye, etiketleme gibi çok çeşitli işlerde endüstriyel robotlar kullanılmaktadır. Robotların entegrasyonunda ve programlanmalarındaki bazı zorluklar ise müşteriye özel uygulamalarda yaygın olarak kullanımlarını sınırlamaktadır.
Nanomalzemeler
Nanoteknoloji günümüzde çok sık duyulan bir terimdir ve giderek tüm sanayi kollarında ve sağlık alanında kullanımı artmakta ve insan hayatındaki sorunlara çözümler sunmaktadır. Nano kelimesi anlamını yunanca olan ve cüce anlamına gelen ‘nanos’ sözcüğünden almaktadır. Nanoparçacıklar büyüklüğü 1 ve 100 nanometre arasında değişen materyallerdir. Bir nanometre metrenin milyarda biridir (Şekil 1). Nanoteknoloji kısaca boyutları milyarda bir olan malzemelerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik yapılarını araştıran ve kullanım alanlarıyla ilgilenen disiplinler arası bir alandır [1]. Nanomalzemeler nanoteknolojinin temel taşlarını oluşturlar ve bu boyutta eşsiz optik, manyetik ve elektriksel özellikler taşırlar. Nanoteknolojiyi bu kadar ilginç kılan unsur, malzemelerin bu boyutta makro dünyadan farklı davranmalarıdır. Makro boyuttan nano boyuta geçerken güç/ ağırlık oranı, iletkenlik, optik ve manyetik özellikleri kayda değer biçimde değişmektedir [4].
Şekil 1. Nano ve Mikro Boyutta Doğada Bulunan Yapılar [5]
Nanoteknolojinin Tarihçesi
Nanomalzemeler ilk olarak 1959’da Richard Feynman tarafından ortaya atılmıştır. Feynman, Kaliforniya Teknoloji Üniversitesi’nde verdiği bir derste ilk defa tek tek atomları ayırmaktan ve kontrol etmekten bahsetmiştir. Bu nedenle Feynman nanoteknolojinin babası olarak isimlendirilmiştir. Feynman’ın düşüncesinden yola çıkarak ilerleyen Norio Taniguchi 1974’te ilk olarak ‘nanoteknoloji’ tanımını yapmıştır. Taniguchi nanoteknolojiyi materyalleri tek atom olarak ayırma, birleştirme veya deforme etme olarak tanımlamıştır. 1981de Eric Drexler yazdığı ‘Molecular Engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation’ isimli makale ile moleküler nanoteknolojinin öncüsü olmuştur. Bu çalışmalar 1981’de Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer tarafından bulunan Taramalı Elektron Mikroskobu’nun (TEM) keşfi ile hız kazanmıştır. Bundan beş yıl sonra Atomik Kuvvet Mikroskobunun (AFM) bulunmasıyla tek atom görüntüleri alınmıştır [2].
Boyutlarına Göre Nanomalzemeler
Nanomalzemeler boyutlarına göre dörde ayrılırlar:
• Sıfır Boyutlu Nanomalzemeler (0D),
• Tek Boyutlu Nanomalzemeler (1D),
• İki Boyutlu Nanomalzemeler (2D),
• Üç Boyutlu Nanomalzemeler (3D).
1) Sıfır Boyutlu Nanomalzemeler (0D)
0D nanomalzemeler nanotoz veya nanodispersiyon şeklinde, birbirinden izole halde bulunan malzemelerdir. Günümüzde bu malzemeler çok farklı şekillerde bulunmaktadır ve çeşitli araştırma grupları tarafından sentezlenmektedir. 0D malzemelerden bazıları; homojen parçacık yüzeyleri halinde bulunan kuantum noktalar (quantum dots), nanoküreler (nanospheres), fullerenler, çekirdek (core shell) nanoparçacıkları ve içi boş nanokürelerdir. (hollow nanospheres) Bunların örnekleri Şekil 2’de görülmektedir.
Şekil 2. Sırayla Çekirdek Nanoparçacığı, İçi Boş Nanoküre, Nanoküre ve Nanotüp Tem Görüntüleri
1) Tek Boyutlu Nanomalzemeler (1D)
1D nanomalzemelere örnekler; nanoçubuklar ve nanotüplerdir. Nanotüpler Iijima tarafından bulunmuştur ve günümüzde giderek önem kazanmaktadır. 1D nanomalzemeler nanoelektronik, nanosistem, nanoaygıtlarda ve nanokompozitlerde, alternatif enerji kaynaklarında ve ulusal güvenlik alanlarında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.
2) İki Boyutlu Nanomalzemeler (2D)
2D malzemeler nanometrik boyuttaki film ve kaplamalardır. Günümüzde 2D malzemeler giderek önem kazanmakta ve kullanım alanları artmaktadır. 2D malzemelerin keşfi grafen ile başlamıştır ve sonrasında boron nitrür ve molibden disülfit gibi birçok malzeme bulunmuştur.
3) Üç Boyutlu Nanomalzemeler (3D)
3D malzemeler toz yapılı, lifli, çok katmanlı ve polikristal malzemelerdir. Örnekleri; elmas ve grafittir.
Nanomalzemelerin en çok kullanılan çeşitleri grafen ve karbon nanotüplerdir (CNT). Grafen ilk keşfedilen 2D nanomalzemedir. Grafen karbon atomlarının bal peteği yapısında dizildiği çok katmanlı grafit katmanlarının ayrılmış halidir. Grafitin on altıncı yüzyıldan beri bilinen bir malzeme olmasına rağmen grafen 2004’te Andre Geim’ın araştırmaları sonucu bulunmuştur. Grafenin bu kadar çok tercih edilmesinin nedenleri kendine özgü eşsiz özellikleridir. Grafen oldukça hafif, çelikten yüz kat daha sağlam bir malzemedir, elektriksel iletkenliği çok yüksektir, tek katmanlı olduğunda %97 oranında saydamdır ve %20 oranında esnektir. Grafenin bu kadar sağlam olmasının nedeni karbon karbon çift bağlarından oluşan moleküler yapısıdır ve bu bağ doğadaki en sağlam bağlardan biridir. Bu sayede kurşungeçirmez malzemelerde grafen kullanımına sıkça rastlanmaktadır. Grafen oksit ve farklı atomlar katkılanmış grafen de sıkça savunma sanayisinde ve geri dönüştürülebilir enerji kaynaklarında kullanılmaktadır [3].
Karbon nanotüpler (CNT) grafenin katlanmış ve bir tüp halini almış halidir. Tek duvarlı ve çok duvarlı karbon nanotüpler olarak ayrılmaktadır. CNT’lerin kendilerine özgü kristal yapıları sayesinde birçok farklı özellikleri ve kullanım alanları vardır. CNT’ler çok ince çaplarına karşın oldukça uzun olabilirler. CNT’ler hafif ve esnek, elektriksel iletkenliği yüksek ve mekanik dayanıklılığı oldukça fazla olan malzemelerdir. Duvar yapısındaki karbonların dizilimine göre dayanıklılığında ve iletkenliğinde farklılıklar gözlemlenmektedir. CNT’ler hem sağlık sektöründe hem de alternatif enerji kaynaklarında sıkça kullanılmaktadır. İmplant malzemelerinde, biyosensörlerde, enerji kaynaklarında katalizör olarak ve yapay kas yapımında sağlam ve esnek yapıları CNT’leri en uygun adaylardan biri yapmaktadır.
Şekil 3. Grafen, Tek Katmanlı Karbon Nanotüp ve Çok Katmanlı Karbon Nanotüp Molekül Şekilleri
4) Kullanım Alanları
Dünya genelinde 1997 yılında nanoteknolojiye yapılan yatırım 430 milyon Dolar iken 2004 yılında 90 milyar Dolara yükselmiş ve 2020 yılı itibarıyla nanoteknolojinin yıllık 3 trilyon Dolarlık yatırım ile küresel bir endüstri olması öngörülmektedir [6].
Trend teknolojiler arasında hızla etkisini artırmakta olan nanomalzemelerin kulanım alanları (Şekil 4) eksponansiyel olarak artış göstermektedir. Birim ağιrlιk başιna şu andakinden 50 kat daha hafif ve çok daha dayanιklı malzemeler üretilebilecek ve bunlarιn sonucu olarak bu malzemeleri nano ölçekte kuantum bilgi işleme yapan süperbilgisayarlar, çok gizli istihbari ve savunma görevlerinde yer alacak nanorobotlar, beyinsel kapasiteyi artıracak nanohafızalar, kirlilik önleyici nanoparçacιklar olarak tekstil, uzay ve havacιlιk, bilişim, kompozit, elektronik, sağlık gibi çok çeşitli alanlarda kullanmaya başlayacağız [8].
Şekil 4. Nanomalzeme Kullanım Alanları Diyagramı [7]
Sonuç
Nanoteknoloji ve nanomalzemeler (özellikle grafen vb.) Türkiye’nin Sanayide Yüksek Teknoloji Geçiş Programında mutlaka detaylı şekilde ele alınması ve yapılanmaya gidilmesi gereken bir alandır. Gelecekte mesleklerin kayda değer bir bölümü bu alanda oluşacak ve üretim tesisleri bu teknolojiyi ve malzemeleri kullanan endüstrilere dönüşecektir. Bu malzemelerin çevresel ve sağlık faktörleri de ayrıntılı şekilde araştırılmalıdır. Bu malzemelerin ithalinde yaşanabilecek negatif dışsallık sağlayacak unsurları giderecek çalışmalar hayati önem taşıyacaktır.
Kaynaklar:
[1] A. Alagarasi (2011), Introduction to Nanomaterials, Chapter 1, 76
[2] J. E. Hulla, S. C. Sahu, A. W. Hayes (2011), Nanotechnology History and Future, Human and Experimental Toxicology, 34, 12, 1318-1321
[3] R. M. Balleste, C. G. Novarro, J. G. Herrero, F. Zamora, 2D materials: to graphene and beyond, Nanoscale, 2011, 3, 20-30
[4] Rao, C, N, R, Müller, A, Cheetham, A,K, Nanomaterials Chemistry, 18-31, 2007.
[6] Khan , A,S, Nanotechnology: Ethical and Social Implications, CRC Press, 2-5, 2012.
[8] Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu, Ulusal Bilim ve Teknoloji Politikaları 2003-2013 Strateji Belgesi, http://www.tubitak.gov.tr/tubitak_content_files/vizyon2023/Vizyon2023_Strateji_Belgesi.pdf ( Erişim Tarihi: 05/06/2018).
Projelerimizde bize destek olmak istersen Patreon üzerinden aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsin.
