ÜÇ BOYUTTA YAPILANMA

Sanatta, mimarlıkta ve doğal dünyada dizi, düzenlil ik ve simetri

hayranlık çeker. Tabi düzensizl ik ve kaos bir çok f iziksel varlığı

karakterize eder. Termodinamiğin ikinci yasası tüm sistemlerin

ilerlemesini düzensizl iğin arttığı yönde doğru ve niceliksel

terimlerle formüle etmiştir . Fakat birçok doğal nesne düzenli ve

simetriktir . Kristaller bilim insanlarına ve meslekten olmayan

kiş ilere büyüleyici bir nesne olarak görünmüştür(ö zell ikle seyrek

bulunmaları ve kıymetli taş olarak). Tipik gerçek kristaller

düzenli şekiller, pürüzsüz yüz ve netl ik, yüzeyler arasında iyi

tanımlanmış açılar ile karakterize edil irler. Bizi çoğunlukla

kristalin optik özell ikleri ilgilendirir ve merakland ırır - onun rengi

(veya elmastaki gibi taşın ışığı kendi içinde yansıtması ve bunun

sonucu olarak parıldaması ve ışı ldaması gibi sonuçları olan yüksek

kırma indeksinin olması) ve mekaniksel davranışlar, elmasın

müstesna sertliği gibi bizim merakımızı uyaran başka şeyler. Bu

bölümde bizim araştırma noktamızın başlangıcı onların

düzenliliği ve s imetrisinin geometrik özellikleri. Özellikle

kristalin dışarıdan görünüşünün düzenliliği onun atomik yapısını

yansıt ıp yansıtmadığı hakkında araştırma yapacağız.

Bu pazıl ın i lk ipucu Davitson’un deneyinden gelmiştir . Elektronun

dalga benzeri özell iklerinden tekrar bahsedersek ince bir metal

folyoda elektron demetinin parıldadığı sonucunu görürüz.

Elektron demeti folyonun içinden geçerken kırılır , böylece demet

dalga g ibi davranır ve folyo içindeki atomların yerleşimi düzenli

olduğu için yavaşlar. Elektron maddeler ile kuvvetlice etkileşir :

maddelerin içinden geçebilir , mesela çok ince bir film den, ama

normal kristalin ana yapısı içine nüfuz edemeyebilir . Aksine

radyasyonun bir başka şekli, X -ray, (Röntgen tarafından 1895’te

bulundu ve elektro manyetik radyasyonun en basit şeklidir, ışığa

benzer fakat daha kısa boyludur) katıların yüzeylerinden içine

nüfuz edecektir. Kır istagrofi bil imi, kristaldeki atomların

düzenlenmesinin belir lenmesi, 1912’de Lawrens Bragg

tarafından bulunmuştur. O X -ray kırınım kristallerini

keşfetmiştir . Bu gözlemin sadece yorumu kırınım örneklerinin

analizi ve kırınım ağı olarak görev yapan atomların kristallerde

düzgün şekilde konumlanarak oluştur duğudur. Bu şekilde

kristaldeki atomik düzenlenme hakkında bilgi elde edebilir iz.

Bir kristal yapısı zorunlu olarak atomların düzenlenmesinden

(çoğunlukla bir im hücre olarak tercih edil ir) oluşur ve bunlar üç

boyutta düzenli olarak tekrarlanır ve özdeşti rler, solda gösterilen

resim gibi. Biçim düzeni aşırı basit olabil ir ve sınırl ı sayıda atomu

kapsayabil ir . Çoğu metalin kristal yapısında mesela iki atomu

içeren sodyum klorür (kaya tuzu) birbirini tekrarlayan biçim

düzenlenmelerinden oluşmuş bir yapıya sa hiptir. Solda

görülmektedir. (Şekil 4)

Bir diğer uç örnek virüs kristalleridir , atomların binlercesinin

yüzlercesini içeren virüsler bir birini tekrarlayan bir imle re sahiptir ler. Henüz şimdiki k ristografinin

çok dikkate değer başarısından biris i virüslerin kristal yapılarının belirlenmiş olmasıdır. Solda

görülen resim David Stuart ve yardımcıları tarafından belirlenmiş olan ayak ve ağız hastalığı

virüsünündür.

Şekil 2 Metal kıristal katılar.

Şekil 1 MgO Magnezyum oksitteki atomların dizilişi.

Şekil 3 Elmasın yapısı

Şekil 4 Sodyum klorür.

Bunun için yaşayan en basit şeyin kendi dış örtüsünün tüm

atomların pozisyonlarının gözle görülü r seviyede düzenli

olduğunu bil iyoruz.

ÜÇ BOYUTTA YAPILANMA

Kristal yapılarının çeşitl il iğini ve zengin içeriğini açıklamaya

devam etmeden önce çok temel bir soruya cevap vermeliyiz üç

boyutta atomlar neden düzenli yapıya sahiptir? Bu fevk alade

düzenlilik ve sistematik düzenlenmenin sürdürülmesini ne

sağlamaktadır? Cevap sürpriz şekilde basit ve açıktır ; atomların

düzenli dizil imleri düzensiz yapılarından daha düşük enerjiye

sahiptir. Metaller gibi en basit yapılar sezilecek kadar açıktır .

Her bir atom diğerini çektiği için maksimum yoğunluğu elde

etmede en uygun verimlilikteki yol bir arada bulunmaktır. Ve

görülen yapılar içinde üç boyutta paketlenmenin(en yüksek

yoğunlukta) en iyi yolu budur.(Benzer şekilde biliyoruz ki masa

üzerindeki bilardo toplarını bir araya getirmek istesek bunu en

etkil i yolu düzenli dizil imle sağlanır).

Daha kompleks yapılara baktığımızda düşük enerjiye yol açan düzenlenme daha az görülür. Bu

prensibin hala geçerli o lduğun bilgisayar deneylerinde göre bilir iz. Basit bir örnek yukarıda

gösterilmiştir . Deneyde önemli bir bileşik olan titanyum dioksit ile ilgilenilmiştir(bu beyaz boyaların

Şekil 5 Bir virüsün yapısı.

Şekil 2 Metal kıristal yapıları.

Şeki l 3 TiO2 modelinin örgü enerjis i m inimizasyonu doğrultusundaki

resmi.

temel bileşenidir ve güneş enerjis i sistemlerinde kullanılır). Deneye serbestçe dü zenlenmiş olan

oksijen ve titanyum atomlarının doğru yoğunluktaki bileşiği vermesi gereklil iği ile başlayalım. Sonra

bilgisayara enerji minimizasyonu tekniğini kullanarak atomlar arası kuvvetlerin rol oynamasıyla

sağlanan bilgiyi kullanarak atomların mümk ün

olan en düşük enerjili konfigürasyonunu

bulmasını söyleyelim. Resim en düşük enerjil i yapı

yoluyla elde edilen konfigürasyonları

göstermektedir . Görmekteyiz ki dikkat çekici

seviyede bu yapılar üst üste çakışmaktadır ve

sonunda minimum enerjiye ulaşıldı ğında

tamamıyla düzgün bir yapıya ulaşırız, bu örnekte

TiO2 ‘nin rutil kristal yapısı için mükemmel modeli

elde ederiz. Basitçe atomlar arasındaki

kuvvetlerin temel al ınmasından en düşük enerjil i

atomik düzenlenme bize kristal yapıları

göstermektedir.

Atomlar ve moleküller üç boyutta kutuya

konulduklarında düzene girerler çünkü düzenli

yapıların enerjileri daha uygun düzenlenmiştir .

Üstelik doğanın temel sürücü kuvvetlerinden olan düzensizliğin artması prensibi kristallerde de

vardır, bunu sonraki bölümd e göreceğiz. Düzensizlik doğrultusundaki i lerleme kristalin erimesi

sırasında sıcaklık ile artar, kristal fazın düzenlil iği bu şekilde kaybolur ama sıvıları n yapıları da aynı

şekilde etkileyicidir. Sonra göreceğimiz gibi düzensiz hareketl i sıvı yapıları do ndurma ile düzenli

atomik diziliş in korunduğu katılara çevrilebil ir . Burada camların atomik seviyedeki yapılarını da

açıklayacağız . Camsı maddelerin yapısı kristal yapılarının incelenmesi bizim bakış açımızı

genişlettikten sonra açıklanacaktır.

YAPILARI BİR ARADA TUTAN

BAĞLANTILAR

Kaya tuzu , rutil ve çoğu metalin paketler terimi

içinde anlaşılan basit kristal yapılarını görmüştük.

Her atom bir diğerini çeker ve çok verimli çerçevede

bir arada paket haline gelirler. Kristal yapılar

atomik büyüklükle bağılı olarak kontrol edilir ve

atom diğerlerinin çevreled iği bir paket içinde

bulunur. Gözlemler şunu göstermiştir ki eğer

atomlar benzer büyüklülerde olsalardı her bir atom

metal yapılarındaki gibi kendini çevreleyen on iki

atoma sahip olacaktı, fakat kaya tuzlarında

(sodyum klorür) klor iyonları daha büyük olduğu

için sodyum iyonu çevresinde sadece alt ı tane

klor bulunabil ir . Gerçekten bu gibi paketlenmeler

göz önüne alındığında etkin bir yol göstericidir

ve kristallerle oluşturulmuş yapıların çoğunun

gerçek resmini ortaya koyabilir , bu tarzdaki

atomlar metalik veya elektrostatik (iyonik)

kuvvetlerle bağlanmışlardır.

Daha kompleks ve düşük yoğunluklu yapılar

kristaller tarafından benimsenmiştir , bunlarda

Şekil 4 Lantanyum nikelat.

Şekil 5 Tetrahedral ve oktahedral.

Şekil 6 ReO3.

bağlar genell ik le kovalent bağ olduğu durumda

özel yönlerde bağlanmayı gerektir ir . Bu bağlar

çekirdekler arasındaki elektron yoğunluğuna

bağlıdır. Bu sistemler için şekillerin

paketlenmesi yerine bir alternatif yaklaşım

belirlenmesi ve bu yapıların öngörülmesi gerekir.

B ir polihedral bağlanmayı göz önüne alırsak

kristal yapıyı iyi tanımlanmış basit geometrik

şekiller halinde öngörebiliriz, mesela normal

olarak oktahedraller ve tetrahedraller köşeler ve

merkezler ile nitelendirilirle, bunlar üç boyutlu

yapıyı veren köşeler , kenarlar veya yüzeyler ile

birbirleri ile bağlantıdadırlar.

ReO 3 bu sınıf kristal yapının basit ama çok zarif bir

örneğidir. Seyrek metal renyumun oksit’ inin yapısı

merkezde renyum atomunun bulunduğu altı oksijen

atomu tarafından çevrelenen oktahedral i temel

alır, oktahedraller düzenli ve simetrik yapılar

veren buradaki köşelerle birbirine bağlantı kurar.

Yapının açık doğası daha sonra anlatacağımız;

büyük atomların girebileceği oktahedral ağlar

arasında boşluklar bulunduran şekildedir.

Gerçekten öğreneceğimiz gibi yapının önemli bir

tipi paylaşılan köşelerin bulunduğu oktahedral

ağın boşluklarına atomların yerleştir ilmesi

prensibine dayanır. MO 6 (burada M metal atomu)

oktahedralinin oluşumu soldaki periyodik tablonun

aynı bölgesinde gurup olarak bul unan titanyum,

vanadyum, niobyum, tantalyum, molibdenyum,

tungusten ve renyum gibi metallerin oksitlerinin yapısal

kimyasında baskındır.

Bu metalleri içeren oktahedral MO 6 solda görülen

TiO2 yapısında olduğu gibi köşeler kadar kenarları

da paylaşabil ir . Yüzeyin paylaşılması mümkündür

ama komşu oktahedraldeki sıkıca yerleşmiş metal

atomlarının pozitif yükleri arasında kuvvetl i itme

olduğu zaman sınırlı kapsamda

oluşur. Örneğin soldakine benzer

küçük guruplarda büyük sınırlamalar vardır.

Oktahedral MO 6 küçük topluluklarını temel alan

yapısal kimya gerçekten çok ilginç ve çeşitl idir.

Kristal yapılar oktahedral inşa edilmiş blokların

mümkün olan bütün olasılıklarını kullanır. Oksit

yapısındaki niobyum metali köşeleri paylaşılan NbO 6 oktahedraller içerir ve bunlar

görüldüğü gibi köşeler veya yüze ylerle birbirine bağlanır.

Şekil 7 MO6 elementleri.

Şekil 8 Oktahedral olarak kordine olmuş metal atomlarını temel alan polianyon kümeleri.

Şekil 9 Nb2O5.

Şekil 10 Ti4O9.

Dahası kimyasal bileşimdeki değişiklikler oktahedral

bağlantıların yeniden yapılmasını doğurabilir . TiO 2

(TiO 2 x bileşiği s itokiyometrik bir bileşik değildir)

maddesindeki gibi yapıda yaprak görünümündeki

yüzey değişime uğramıştır .

Tetrahedral bağlanmalar yapıda büyük aralıkların

oluşmasını sağlamaktadır, gerçi yapısal prensipler

bazı durumlarda bunu çok sınırlar. Tetrahedralin

normal olarak sadece köşeleri paylaşılır çünkü;

merkezi atomlar arası itme kenarların ve yüzeylerin

paylaşıldığı yapılarda çok yüksektir. Soldaki resim

bağlanmanın enerji olarak çok fazla masrafl ı olan

modunu içeren yapıların çok s ınırlı aralığının

örneklerini göstermektedir .

MO4 tetrahedral inin köşeleri paylaşılan

bağlanması genel ve önemli elementler olan

alüminyum, sil isyum ve fosfor oksitlerinin

yapısal kimyasını temel al ır . Bu gibi si lisyum

dioksit yapıları tüm köşeleri paylaşılan

tetrahedral SiO 4 ’ü temel alan yapıların

şaşırtıcı aralığındadır. Çok önemli olan

kuartz; doğal ve endüstriyel önemi olan bir

maddedir. Kristobalit ve tridimit gibi diğer

yapılar SiO 2 ’yi benimsemişlerdir ve solda

gösterilenin bir örneği olarak klatharis gibi

çok fazla açık bağlantıların büyük miktarını

oluştururlar.

Bunlar büyük organik moleküllerde bulunurlar

(gerçekten çoğu durumda bunların sentezi bu

gibi türlerin varlığını gerektir ir). Bu konunun

sonraki tartışması bunlara benzer mikro delikl i yapılarla i lgil i

olacaktır. Öyle görünüyor ki köşeleri paylaşılan tetrahedral temelli yapı ların benimsendiği

ortamlarda sınırlamalar olmasına karşın tetrahedron oktahedronun yaptığından daha fazla yapısal

çeşitl il iğe müsaitt ir .

KOMPLEKSLİĞİN BAŞARILMASI

Bizim düşünce merkezimiz büyük karmaşık yapıları başarmada basit geometrik ve topolojik

yöntemlerin doğasını kullanmakta ve faydalanmaktadır. Sonraki bölümde tartış ılan biyolojik

Şekil 11 Bir heliks yapısında yüzeyleri paylaşılan tetrahedral.

Şekil 12 SiO2 polimerleri.

Şekil 13 Solda SiO2’ kafes benzeri ara boşluklar oluşmuştur ve gaz hidrat yapısında su moleküllerinin içerdeki hidrojenle bağlanış yapısı (sağda).

moleküllerin mükemmel karmaşıklığı z incir ve halka oluşumlarını temel almaktadır. Bu moleküller

arasında ve benzer moleküller in farklı kıs ımları arasındaki etkileşimler yüksek düzeyde kompleks 3d

yapılarının oluşumuna öncülük eder.

İnorganik dünyada üç boyutlu yapıların nasıl çok etkin tarzlarda beraber paket oluşturan

atomlarla basitçe oluşturula bildiğini, ama 3d bağlantı yapısı ile beraber iç bağlantılara da sahip

olan polihedrall in basitl iğini de gördük. Kompleksliğin yüksek derecesinin nasıl bir şematik bakışta

yapıya giren veya eklenen atomlarla bu temel basit yapıya uyum sağlayabileceğini göreceğiz.

Bazı çok basit örnekler paladyum ve demir gibi metallerin karbon, bor ve hidrojen gibi küçük

atomları emmesi şeklindedir . Metal atomları arasındaki boşluklar aşağıda gösterildiği gibi işgal

edilmiş boş bölgelerdir. Bunlar ev sahibi metalik atomlarla kuvvetl i ki myasal bağ yapmışlarsa da

önceki karakterist ik metalik özelliklerini korumaktadırlar(oksijen veya klorun metallerle

oluşturduğu birleşikler bundan farklıdır). çok büyük yapılarla uğraşılırken atomların eklendiği

yerler yeni yapı tiplerinin oluşmasına yol açar. Mükemmel örnekler önceden tartışılmış oktahedral

ve tetrahedral köşeli bağlantılardaki temel yapılar olarak verilebil ir , gerçekten yapının büyüklüğü ve

çeşitl il iği için temel oluşumların nasıl olduğunu göreceğiz.

OKTA HEDRON YAPIYA ATOMLARIN YERLEŞİMİ

Büyük yarık veya boşluk içeren Rhenium

trioxit ’in kristal yapılarının oktahedral

bağlantılarının köşelerinin nasıl düzenli

paylaşıldığını yeniden söyleyelim. Bu uyumlu

atomlar için bell i bölgeler sağlar. Ve

tungusten tir ioksit gibi moleküller (WO 3), bu

yapıdaki kristallerde büyük boşluklara

potasyum ve sodyum gibi metal atomlarının

emilebilmesine izin verir (biraz önce

gördüğümüze benzer yolla çok küçük çatlak

yapılarında bir çok küçük atomu içeren

kapalı, paketli metal yapıları görmekteyiz).

Üstelik bu ara metal birleşiklerine

benzemeyen metal yüklenmiş tungsten

tirioksitin f iziksel özellikleri radikal olarak

değişmiştir , iç yapıda metal atomunun en

dıştaki elektronları katının benzer

özell iklerini verecek şekilde delokalize

olurlar. Gerçekten bu bileşikler de ‘tungsten

Şekil 14 Metal demirin(solda) ve paladyumun (sağda) yapısındaki boşluklar. Ara boş bölgeler açıkca gösterilmiş.

Şekil 15 BaTiO3.

bronzu’ olarak aranırlar, çünkü metaller gibi parlaktır. Bu bronzlar eklenen metallerden çok farklı

miktarlarda içerirler (boşluk bölgelerinin tam doldurulması için s ıfırdan it ibaren değişik

değerlerde). Bununla beraber metal eklenmi ş birleşikler olarak sadece WO 3 bileşiği değil sıcak

oksit ler gibi diğer metallerden de bu sınıfta vardır.

Burada benzer yapısal prensipler temel

al ınarak bileşik oldukça zengin bir sınıfa

konulmuştur. Örnek kalsiyum titanat

bileşiğinde (CaTiO3) , perovskite mineralinde,

bu yapı bağlantı köşelerinde TiO 3

gösterilebilir , ReO 3 yapısında boşluklar Ca

atomlarıyla tamamen dolmuştur; tabiî ki

TiO3 ’te varsayılan bileşik maksimum 4 valense

sahiptir (titanyun dioksit TiO 2 mineralinde saf

titanyum ve oksijen içeren bileşik için bu

bileşimi oluşturan en yüksek oksijeni

içermektedir). Bu sonuçlardan dolayı bu

mineralin fiziksel ve kimyasal özell ikleri önce

anlatılan bronzdan çok farklıdır. Fakat

yapısal temeller tam olarak benzer dir.

Katılarda (ve katı hal kimyası) bu basit

fikirlerin çoğunu uygular. Daha demin

öğrendiğimiz gibi kararlı MO 6 oktahedral yapısında büyük sayıda metal atomu oluşan büyük

boşluklarla da bulunan çok sayıdaki metal atomu ile kararlı hale gelirken köşeler de paylaşım yapar

şekildeki yapıları vermektedir. Farklı sayıdaki atom, boşlukları doldurucu ve bağlantı sağlayıcı

(oktahedral BO 6 yapısındaki gibi) olarak görev yapar. Bu iki tipin mümkün olan kombinasyonunun

çok büyük sayıda olduğu ve bu yapı ile bil inen bileşiğin birkaç yüz tene olduğu ve çoğunun da hiç

kuşkusuz sentez edilebileceği açıktır.

Perovskite yapısı kendi l iğinden çoğu yapısal çeşitli l ik

ve kopleksite için kristal kimyasına zemin sağlar. İ lk

olarak yapıyı bozabil iriz , bu oyunda basit yüksek

s imetri yapıları ile genel şekilde oynanır, ve perovskite

yapısı parçalanma için öz ell ikte uygundur. Bunun en

basit, genel ve çok önemli olanı baryum titanatla

verilir . Oktahedron TiO 6 ’nın küçük parçaları düşük

sıcaklıklarda oluşur. Bu kabaca Ti iyonlarının köşeler,

kenarlar veya oktahedronun yüzeyine doğru ilerlerken

ara yapını değişmesiyle açıklanabil ir . Bu yer

değiştirmeler müşterektir, tüm Ti iyonları benzer yönde

ilerlerler. Ve düşük sıcaklıkta görülen üç bozunmuş yapı

yer değiştirmenin üç yöne karşılık gelir .

Tüm iyonlar benzer yönlerde hareket ett iği için

kristaldeki elektrik yüklerinin net yer değişimi kalıcı

elektrik dipol momentine sahip kristallerde bell i olur.

Bu gibi maddelere ferroelektrikler denilir . Bunlar

elektronik endüstrisinde geniş olarak kullanılır . Çoğu

başka perovskite yapılı materyalleri düşük sıcaklıkta

ferroelektrik fazlar gösterirler ve bileşik aralığı

çoğunlukla mümkün olandan çok geniştir , maddenin

elektriksel özellikleri bir veya iki metal atomuyla değişir . Gerçekten katı hal b ilimcileri mükemmel

bir sanatı bu prosedürde yapmaktadırlar; kompleks karışmış metal s istemleri oktahdral ve boş

bölgelerin her ikisini dolduran birkaç farklı atom tipi ile sentezlenmektedir.

Şekil 16 K2MgF4.

Şekil 17 Yüksek sıcaklık süper iletkenliği.

Daha kompleks yapıları geliştirmede diğer

bir taktik başka yapısal tipin halinde ara

tabakalaşmadır. Özellikle eğer görüldüğü

gibi perovskite için de sodyum klorür

yapısının tek bir tabakasıyla ilgilenirsek

lantanyum bakır oksit i le benimsenmiş olan

meşhur kristal yapıları bize yeni maddeler

verir. Bunlara Ca veya Sr ‘dop’ edildiği

zaman önce ulaşılan sıcaklıklardan daha

yüksek sıcaklıkta(yaklaşık mutlak sıf ır

sıcaklığının üzerinde 40K) süper iletken

kavramını ortaya koyarlar. 1987’de Bednorz

ve Muller bu materyali keşfettiklerinde

madde sentezini amaçlayan araştırma ların

çılgınlığını yansıtmışladır ; yüksek ve daha

yüksek sıcaklıklarda süper iletkenliği

göstermişlerdir. Bednorz ve Muller’ in

sansasyonel keşfi dokuz ay içinde

duyulmuştur, ve itr iyum ,baryum, bakır ve

oksijen elementlerini içeren yeni bir madde yaklaşık 9 0K’de süper iletkenlik göstermiştir . Bundan

daha yüksek s ıcaklıklarda azot sıvı hale gelir( sıvı azot soğutucu olarak oluşturulan uygulamaların

olabil irl iğinin tercih nedeni ucuzluğudur). Bu olağan üstü maddenin yapısı görülmektedir ve hala

perovskite yapısının bir örneğini sergilemektedir.

Bu alanın nihai hedefi oda sıcaklığında süper iletkenlerdir ve ı lık süper i letkenlerin üretim yarış ı

durmak bilmeden sürecektir. Biz bunları yazarken yüksek kompleks yapıların ip uçlarına yenilenen

mayalar gibi alanlard a rastlanmaktadır( bakır ve oksijen atomlarını içeren çoğu tabaka normal

çevre s ıcaklığına yaklaşan sıcaklıklarda süper i letkenlik gösterebilmektedir).

Ve eğer oda sıcaklığında süper iletkenlik başarıl ırsa bu katı hal kimyasıyla olacaktır. Kristal

mühendisliği ön görülen f iziksel özellikler başarılana kadar kristal yapılarını kodif iye ve manipüle

etmeyi sürdüreceklerdir.

TETRAHEDRALLER ARASINA ATOMLARIN

YERLEŞİMİ

Bizim gezegenimizi oluşturan mineraller

silikon, oksijen, metalik ve met alik olmayan

diğer atomların çeşit li yapılarından

oluşmuştur. Bu yapılar SiO 4 tetrahedrondan

yapıl ırlar, daha önce gördüğümüz gibi

paylaşılan köşeler i le birbirlerine

bağlanmışlardır. Sil ikon dioksitte tüm

köşeler paylaşılmıştır . Bu bileşikler için

bil inen çok farklı yapılar tetrahedral

iskelette paylaşılmış köşelerin çeşit li

topolojileri işaret etmektedir.

Sil ikatlarda ekstra metal ve oksijen atomları

araya girmiştir . Eklenen oksijen üç boyutsal

iskelette dağılmıştır ; gösterildiği gibi SiO 4

tetrahedra l inin paylaşılmayan köşelerinde köprü yapmayan oksijen atomlarının oluşmasıyla bu

yerleşme sağlanabil ir . Oluşan kafes yapısının tipi ve boy utsall ığı köprü bağı yapmayan ok sijenlerin

sayısı veya (belki daha uygun olarak) paylaşılmış halde korunan köşelerin sayısına bağlıdır. Burada

eğer üç köşe paylaşılırsa tetrahedraller yaprak yapısında birbirine bağlanacaktır.

Şekil 18 Cıva bulunduran yüksek sıcaklık süper iletkeni.

Şekil 19Köprü bağı yapmayan oksijen türleri.

Oluşan kristal yapısındaki atom tabakaları

birbirleri üzerinde kolayca kaydırılabil ir . Sürpriz

olmayacak şekilde çoğu mineral, özellikle balçık

mineralleri bu yapıya sahiptir ve yumuşak

minerallerdir. Aşağıda daha iyi tartış ıldığı

şekilde, balçıklar normal olarak s il ikon kadar

alüminyum da içerir. Bunun klasik örneği temel

bileşeni beyaz kil , kaolinit dir.

Mineralleri oluşturan tabakalar ağ yapı sındaki

üçlü bağlantı köşeleril inin mümkün olan tüm

mimarisini kullanır. Bazı durumlarda köprü bağı

yapmayan oksijen atomları tabakanın tamamen

bir tarafında diğerlerine alternatif olarak

bulunur. Tabaka lar buruşuktur ve bazı

durumlarda rulo haline gelir ler. Metal

atomlarının farklı düzenlenmesine (yine burada

aşır ı oksijenin varlığını söyleyelim) ve

bağlantılarda alüminyum bulunmasının tercih

edilmesine göre daha kompleks yapılar oluşabil ir . Bu

ön görüleri daha sonra göreceğiz.

Tetrahedral bağlanmaların diğer bir yapısına geri

dönersek her bir SiO 4 tetrahedronun sadece iki

köşesini işgal ettiği zaman silikat zincirleri oluşur.

Silkat kimyası tetrahedron zincirlenme ile oluşan

yapısal olasıl ıkları araştırır , zincir yapıları

diopside gibi doğal olarak oluşmuş minerallerde

yoğun olarak bulunur. Tek bir köşe paylaşıldığı

zaman sadece iki tetrahedron bağlanabilir . Bu gibi

yapılar seyrek olarak bil inir ve bölümün sonunda

tartış ılacak olan Mg 2SiO4 ‘nin yüksek basınçlı fazı

buna bir örnektir. Madde yapılarına daha detaylı

baktığımızda dünyanın bunlardan yapıldığını görürüz.

Son olarak sil ikat tetrahedral köşeleri paylaşılmamış şekilde

olabil ir ve bunlar izole edilmiş SiO 4 ‘ü temel alan yapılardır.

Daha önemli bir örnek yoğun forsterite mineralidir, bu yapıda

gösterilmektedir. Bu bileşiğin bir değişiğini sonra

tartışacağımız dünyanın manto tabakasının en üst kısmını

temel bileşiği olan, gözle görülür bir şekilde demir içeren

olivine mineralidir.

Şekil 20 Üç köşesi paylaşılan tetrahedral ile oluşan bir katman.

Şekil 22Kaolinit mineralinin yapısı.

Şekil 21Tabakalaşmış minerallerin farklı tipleri.

Şekil 23 Bir tür silikat zinciri.

Şimdi metal atomlarıyla ne şekilde etkileşim olduğuna

bakal ım. Bu incelemede sil ikat tabakaları, zincirler ve izole

olmuş tetrahedraller arasındaki pozisyonları inceleyelim.

Tüm negatif yüklülerin en sonunda negatif olarak yüklenmiş

oksijen iyonları ile ilgileneceğiz. Pozitif olarak yüklenmiş

olan metaller kristalde iki bağ arasında elektrostatik

etkileşim ile durur. Tabaka yapılarının olduğu durumda

metal iyonları görüldüğü şekilde negatif olarak yüklenmiş

kabuklar arasındaki tabakalara kendiliğinden

yerleşmişlerdir. Ve bunlar sil ikat zincirleri arasındaki iyi

tan ımlanmış bölgeleri tam olarak kaplarlar. Örneğin

MgSiO 3 ve yukarıda başvurduğumuz forsterite

mineralindeki izole olmuş SiO 4 gurubu.

Daha sonraki bir değişikl ik, yapıda sil ikon kadar

alüminyumunda bulunabildiği sil ikat yapılı

kimyasalların inşasıdır , alüminyumun bulunduğu

durumda atomların doldurduğu boşluklar benzer

büyüklüktedir. Çoğu yapıda AlO 4 tetrahedrali basitçe

değişebilir veya basitçe bir numarayla SiO 4

tetrahedralinin yerini alabilir . Bu şekilde mümkün olan

bileşik aralığı muazzam şekilde genişler. Fakat sil ikona

benzemeyen şekilde alüminyum AlO 6 oktahedral yapıda

kararlıdır. Oktahedral olarak kordine olmuş yapılar

alümina sil ikat kimyasında bu şekilde mümkün hale

gelir . Buna örnek kil yapılarında bulunur, burada

alümina s il ikat tabakaları A lO 6 oktahedral ve SiO 4

tetrahedrallerden oluşmuştur.

Bunun doğada kullanılan şeklinin en basit olanı

tetrahedral yapıda paylaşılan köşelerde si lisyumun

yerini alüminyumun olmasıdır. Bunun sonucu i lk

resimde gösterilenden daha geniş bir değişim olmasıdır. Alüminyum atomunun çekirdeği s ilikondan

bir proton eksiktir ve bir değer daha düşük pozitif yüklüdür. Silikonla alüminyumu yer

değiştirdiğimiz zaman alümina sil ikat bağlantıları daha düşük pozitif olacaktır, yani daha negatif

yüklenmiş olacaklardır. Bu aşırı negatif yükü dengelemek için ek olarak pozitif yüklü metalik iyonlar

yapıya eklenmelidir. Bu basit prensibin çok açık sonucu tam olarak k öşeleri paylaşılmış olan alümina

silikat bağlantıları pozitif olarak yüklenmiş metalik iyonları içeren yapılar oluşt ururlar. Buna

Şekil 24 Diopside mineralinin yapısı.

Şekil 27 Forsterite yapısı.

Şekil 25 Muscovitenin tabakalaşmış yapısı, parlayanlar katyon noktaları.

Şekil 26 Muscovitenin tabakalaşmış yapıları.

karşılık eğer SiO 4 tetrahedral yapıları

korursak tüm köşelerdeki bağlantıların SiO 2

içermesi zorunludur ve gördüğümüz gibi SiO 2

yapılarının büyük değişimi mümkün dür.

Yapının bu safhasındaki alümina sil ikatla da

genişleme hala sürmektedir, negatif yüklü

iskelet ve pozit if olarak yüklenmiş metal

iyonları arasındaki çekim kuvvetleri i le tam

olarak köşeleri paylaşılmış ağın çok farklı

tipteki kararlı lığı görülmektedir.

Yoğun, tam olarak köşeleri paylaşılmış

alümina silikat bağlantıları mineral ler in en

dayanıklı ve en sertini sağlar. Granit ve

bazalt gibi sert kayalarda bulunan tipik

feldspar mineralinin yapısını gö rmekteyiz.

Diğer ekstrem bir uçta ise , düşük yoğunluklu

kompleks yapıların ilginç bir sınıf ı

bulunmaktadır, bunlar in organik dünyad a

bil inen en güzel ve güç yapıları sağlarlar.

MİKRODELİKLİ KATILAR; KAFESLER, KANALLAR VE BOŞLUKLAR

Önceki bölümde gördüğümüz feldspar

yapıları solda görüldüğü şekilde doğal bir

kafes oluşturur, volkanlar yüksek sıcaklık

şartlarında bu yoğun püskürük kayaların

oluşumunda temel etmendir.

Doğa mükemmel , değişik, sentezci kimyadır

ve nazik şartları kullanarak diğer narin

yapıları yapmayı öğrenir. Phill ipsite

minerali ; toprak sular alt ında iken

milyonlarca yıl evvel oluşmuştur. Tarih

öncesi okyanusların altında yüksek

konsantrasyonlu sil ikon ve alüminyum

sıkıştır ılmadan yoğun yapıda SiO 4 ve AlO 4

tetrahedral bağlanmaları ile yavaşça

kristallenir, ama açık yapılar atomik seviyede

delikler içerir,bular mikrodelikl i yapılardır.

Bu doğal sentez şartları labaratuarda

yeniden oluşturulabil ir , artırı labil ir ve

değiştirilebil ir . Bu şekilde ş imdi zeolit olarak

bil inen mikro delikl i alüminosil ikatlara hem

doğal olarak hem de sentetik olarak büyük

miktarda maddeye sahibiz . Bazı basit ve en

önemli yapılar tepesi kesilmiş oktahedron

olarak anlatılan yüksek simetrili cubo -

octahedral kafesler şeklinde inşa edilmiştir .

Bunlarda dört alüminyum veya sil ikat

atomunun halkası (bunlarda oksijenle bir

birlerine bağlanmışlardır) yüzeyi oluşturan

alt ı Sİ veya Al köşeleri ve halkaların birleşim

yerini al ır .

Bu kafesler doğal ve sentetik mineraller olan

sodalit in oluşum yapısındaki gibi karşılıkl ı

Şekil 28 Feldspar yapıları.

Şekil 29Feldispar yapıları.

Şekil 30 Phillipsite

dört halka kedil iğinden erimiş haldedir. Bu

yapılarda kullanılan alternatif ve akıll ı

prensip dört halkanın karşıl ıklı köp rü

oluşturmasıdır. Erimiş yapılarda dört halka

komşu kafesler arasında paylaşılmıştır ;

köprülü yapılarda bir kafesteki dörtlü halka

ikil i halkadaki atomların (Si veya Al)

tetrahedral bağlantısının olduğu oksijen

atomlarıyla komşu kafeslerdeki benzer

halkalara bağlanmışlardır . Sonuçta oluşan

yapı Zeolit A olarak bilinir ve deterjanlarda

geniş olarak kullanılır . Altıl ı halkanın

karşılıkl ı bağlanmasıyla bir başka yapı,

Zeolit Y üretilir ve ‘kraking katalizörü’

olarak petrokimya endüstrisinde büyük

miktarda ku llanıl ır . Ağır yağlardaki uzun

zincirl i moleküller bu yapılardaki deliklerin

içine difüze olabilirler ve bu geniş boşlukların

içinde petrol ve gaz yağı için uygun olan

uzunlukta daha kısa zincirli moleküllere indirgene

bil irler.

Diğer bir yapı solda gösterilmektedir. Zeolit ZSM-5

yukarda bahsedilen Zeolit A ve Zeolit Y’ye karşın beşl i

ve onlu halkalardan oluşmuştur. Ve kanal yapılarında

çok ilginç değişikl ikler görülmektedir. Bu ZSM -5

birbiri içine giren düz ve dalgalı ( s inüzoidal)

kanallara sahiptir. Mordenite sadece düz kanal

yapısına sahiptir. Gerçekten bu mikro delikli

yapıların doğasında köşeleri paylaşılmış tetrahedral

ağlarının mümkün olduğu kadar çok topolojik

olasılığı görülmektedir.

Zeolit ler alümina sil ikat oldukları için normal olarak

negatif yüklü alümina s ilikat iskeletini nötralize eden metal iyonları bulundurur bunlar genel olarak

kafes yapılarındaki halkalarda iyi tanımlanmış bölgelerde bulun urlar. Solda gösterilen resimde

Zeolit Y’deki katyonlarla doldurulmuş bölgeler parlak olarak g österilmiştir . Özellikle ilginç olan

Şekil 31 Zeolit yapıları.

Şekil 32 Hidrokarbon molekülleri ve zeolit Y.

Şekil 33 Zeolit ZSM-5 (solda) ve mordenite (solda) yapıları.

çoğu metal atomu için düşük enerji li bölge

sağlayan yapılardaki altıl ı halkalardaki

köprüler arasında prizma pozisyonunda

bulunmasıdır.

Buradaki önemli gerçek ; buradaki yapılar

çoğunlukla sentez sonrası yapıda ka lmış ve

sonra giderilmiş (genellikle ıs ıtmayla) fazla

su olması durumunda dihidratl ı maddelerde

görülür. Hidratl ı sistemdeki su molekülleri

boşluk veya kanallarda eğreti tanımlanmış

sonradan doldurulmuş bölgelerde metal

iyonlarına yapışmış ve onların etraf ını

çevrelemiş halde bulunurlar. Bu gevşekçe

hidratl ı metal iyonlarına bağlanmış olan su

molekülleri yapıdan kolayca ayrılabilir ve

başka bir metal iyonuna geçebil irler. ‘İyon

değişimi’ bu minerallerin bil inen en eski

uygulamasıdır. Örneğin Zeolit A kendin i

çevreleyen sudaki kalsiyum ve magnezyum

iyonları ile deliklerindeki hidratl ı sodyumu

değiştirmede etkil idir. Buradaki iyonlar

suyun tedarikinin zor olduğu ( İç Anadolu

gibi) yerlerde göze hoş görülmeyen kil

tabakalarını oluşturan, sabun ve

deterjanlardak i bazı özel maddelerle

çökelme yapan (çözünmez maddeler), suyun

sertliğinden sorumludur . İyon değişim

prosesi Zeolit A (ve diğer zeolitler) ile suyun

yumuşatılmasında etkindir ve zeolitler

deterjanlarda yumuşatıcı olarak y aygın

kullanıl ır , bunlar deterjan artıklarının

boşaltılması sonucu nehirlerdeki ve göllerdeki

ekolojik dengeyi buralardaki mikro

organizmaları beslemeyerek bozan alternatif

fosfat s istemlerinden daha çevrecidir.

Zeolit lerin yüksek iyon değiştirme

kapasitelerini kullanarak daha muazzam ve

yüksek teknolojil i uygulamalarda biri de

Three Mile Island nükleer kazasında 1982’den

sonra kirlenen suyun radyoaktif metallerden

temizlenmesinde doğal olarak oluşan

cl inoptilol ile kullanılması olmuştur. Bu zeolit

tehlikeli şekilde kirlenmiş atık sudan meta l

iyonlarının geniş ve çeşit l i bir aralığını tam

olarak çıkartabilmiştir .

Şekil 35 Klinoptilolite

Şekil 36 ZSM-5’in deliklerine hapsolmuş hidrokarbon molekülleri.

Şekil 34 ZSM-5 içine difüze olmuş küçük hidro karbonların yörüngesi.

İskeletin negatif yükünün katyonlarla oluşan

iskeletin nötralizasyonunun basit bir

alternatif i protonlarla (veya H + iyonları)

kaplamadır, oksijene köprü bağı i le

bağlanma olur ve yü ksek asidik guruplar

sağlanır. Bundan dolayı zeolitler deliklerinde

bulunan moleküllerde reaksiyonun

kendiliğinden başlamasına izin veren

kuvvetl i asit gibi davranırlar. Reaksiyonun

tipi delik mimarisiyle deliğe girebilen ve

delikten çıkabilen molekülün şe kli ile belirgin

olarak etkilenebilir ve bu t ip reaksiyon zeolit

içinde gerçekleşe bil ir . Asitl iğe sahip

zeolitler katalizlenmeyi kuvvetlendirir, ama

kataliz şekil seçici ise zeolitin delik ve boşluk

yapıları i le kontrol edil ir . Eşsiz katalitik

özell ikler in endüstride kullanımı yaygın

olarak sürdürülmektedir. Daha önce zeolizlerin

katalit ik kraking prosesi üzerinde etkili

olduğundan bahsetmiştik, burada asit

merkezleri uzun zincirl i hidro karbon

moleküllerine saldırırlar ve onları kısa

zincirl i türlere parçalarlar. Tersi bir proses

hidrokarbon sentezini katalizleyen ZSM -5

etkisinde görülür. İzomerizasyon (şekil

değiştirme) ve alkilasyon (karbon

atomlarına alkil ekleme) gibi diğer

reaksiyonlar büyük endüstriyel öneme

sahiptir. Gerçekten zeolitler inorganik

dünyada moleküler biyolojideki enzimler

gibidirler.

Bu maddelerin mimari mikro delikleri gaz

ayırımındaki uygulamaların üçüncü aralığını

oluşturur. Farklı şekillerdeki moleküller

farklı boyutlardaki bu yapılarda absorbe olur

veya difüze olur. Zeolit ler b unun için farklı

organik moleküllerin karışımını ayırmada ve

havada bulunan azot ve oksijen moleküllerini

ayırmada kullanılmaktadırlar.

Katalizörlüğün ve absobsiyonun detaylı

anlaşılması bu zeolitlerin deliklerinde tutunan

moleküllerin bil inmesini gerekt irir . Bilgisayar

metotları bu proseslerdeki olağan üstü işleyişi

ortaya koymaktadır.

Bilgisayar metotları üstelik zeolit biliminin ve

sentezinin büyük esrarını ortaya koymaktadır.

Bazı delik yapılarının sentezi uzun zamandır

bil inmektedir, organik temell i (azot içeren

organik moleküller) jel lerin sentezi için bu bilgi

zorunludur. Bilgisayar metotları görülen zeolit yapılarının

kararlı lığını ve içlerinde nasıl türleri tutabildiklerini göstermektedir.

Mikro delikli ler bilimi alümina sülfatları (AlO4 ve PO4 tetrahedralden oluşan) içeren s ınıflara

da genişleyerek çeşitlenmeyi sürdürmektedir. Bunlarda yeni delik yapılarına izin verilmektedir ve

Şekil 37 Bazı zeolit yapılarının oluşumu direk veya kabarık olabilir.

Şekil 38 VPI-5’in yapısı.

Şekil 39 Mesodelikli maddenin bir örneği.

Virginya politeknikteki Mark Devis tarafından keşfedilmiş olan 'VPI -5' olağan üstü geniş delikl i

materyal de bu şekildedir. Heyecan verici olan olay gösterilen mimarideki aşırı geniş delikler(makro

delikli materyaller olarak isimlendirilir) ile keşfedilen sil ikat sistemlerinin şuanda üretilebiliyor

olmasıdır. Hiç kuşkusuz bu maddelerin geniş aralıkta olması bir çok sürprizi hala saklı tutmaktadır.

Mikro delikl i materyaller inorganik kristal yapılarının (bunlar düzenlidir) çok sofist ike ve

karmaşığını göstermektedir. Bunların katalizör ve gaz ayrımındaki uygulamaları çağdaş kimyadaki

önemi kadar organik ve inorganik dünyanın geris indeki bağlantılar da göstermektedir.

1. DÜNYANIN YAPISI NEDİR?

Dünya beş milyon yıl önce tozların

sıkışması ile oluşmuştur. Tozun içeriği ise

özell ikle demir, nikel, si li kon, magnezyum

ve oksijence zengin geniş aralıktaki

kimyasal elementleri içermekte idi . Sonuç

olarak dünya ağırl ıklı olarak bir metalik

çekirdek ve sil ikat sisteminden oluşmuştur.

(Dünyanın merkezinde metalik

elementler olan demir ve nikelin

yoğunlaşması sonucu ağır lık etki kuvveti

olan yerçekimi oluşmuştur.)(Şuan bil im

adamları yerçekiminin nedeninin plazma

halindeki magmanın çevriminden

kaynaklandığını düşünmektedir) .

Gezegenin yapısının şematik bir yapısı

solda görülmektedir.

Bu üç temel bileşeni kapsar çekirdek, manto ve kabuk. Önceden anlatıldığı gibi metalik kıs ım bir

alaşımdır(Bir kristalsi madde iki veya daha fazla metal içerir, burada demir ve nikeldir). Manto üst

ve alt bölümlere ayrılabilir . Alt kısımlar çoğunlukla magnezy um sil ikat materyalinden(MgSiO 3)

oluşur ama dipte çok büyük basınç alt ında garip yapılar tercih edilmektedir. Burada sil ikon altıl ı

koordinat yapısına sahiptir ve materyal şekilde görüldüğü gibi perovskite yapısına benzer yapılar

benimsemiştir . Normal basınç altında yüksek yoğunluklu yapılar kararsızdır ve sil ikon tetrahedral

yapıya geri dönecektir. Üstteki mantoda düşük (ama hala büyük) basınçta Mg 2SiO 4 birleşiminin

tetrahedral koordinatlı yapısı baskındır. Bu i lginç birleşik farklı basınçlarda farklı yapı lar

göstermektedir, yüksek basınçta(yüksek

derinlikte) spinel yapı(Si 2O7 bir imlerinden

oluşan) tercih edil ir ve mantonun dış

kısmında düşük basınçta oliven yapısı. Tüm bu

manto mineralleri yüksek konsantrasyonda

demir içerir (magnezyumun demire oranı 10

da 1dir), demir magnezyumun yerini alarak

yapıda kolayca yer bulur.

Üzerinde yaşadığımız yer kabuğu

olabilecek kimyasallar bakımından zengindir

ve yine kompleks sil ikat minerallerinden

oluşur. Volkanlardan erozyona kadar jeolojik

süreç safhaları bil im adamlarının anlamaya

çalışt ıkları katı hal kimyasına geniş ve sürekli

deneyler sağlamaktadır. Benzer biçimde

manto minerallerinin f iziksel özelliklerinin

anlaşılması bütün olarak gezegeni çalışmasının

nasıl olduğunun anlaşılmasını sağlamaktadır.

İnorganik kimya ve kristalografi bize detaylıca anlamamızı sağlar çünkü bizim gezegenimizdeki

Şekil 40 Dünyanın mineral tabakaları

Şekil 41 MgSiO3 Perovskite.

minerallerin yapısı ve yine atomların düzenlenişi bunu sağlar. Benzer bir başka yolda bizim

vücutlarımız ve tüm yaşayan şeyleri oluşturan minerallerin organik kimya ve biy okimya ile atomik

seviyelerinin anlaşılmasıdır.

BOZUKLUKLAR

Mükemmel kristalin katı bütün dengeleri uç

noktada gösterir. Böyle bir yapı hipotetik olarak

mutlak sıf ır noktasıdır. Doğada yön düzensizlik -

yüksek entropi doğrultusundadır, bunun man ası

eğer enerji yüksekse düzensizlik elemanları

mutlaka düzenli kristalde görülecektir. Tabiî ki

yeterince yüksek sıcaklıkta düzen tamamıyla

kaybedil ir ve kristal erir. Ama kristal bu erime

noktasının altında her zaman bozukluklar olarak

bil inen bazı düzensiz yapılar içerir. Ve bu türler

sadece merak değildir.

Bunlar kristalin birçok önemli özell iğini kontrol eden etkilere tesir

edebilir . Mesela mekanik gerginlik ve kristalin içine difüze olmuş atomların oranı.

Bozuklukların en basit tipi bunların içindeki atomların normal yerleşime göre eksik

olması veya fazlada atom eklenmiş olmasıdır. Her ikisi de anlatılmakta olan atomik

göç özell iklerinin etkilenmesini sağlar. Boş bölgeler (vacancies) madde içinde komşu atoma

atlanmasına izin verirken ekstra ‘çatlağı ’ olan atomlar kristal içinde bu yüzden hareket edebil irler .

Neredeyse tüm kristallerde bozuklukların ana kaynağı kirli liklerdir. Saf kristallerin hazırlanması

için daha dikkatli metotlar kullanılmalıdır, kirli likl er kaçınılmaz şekilde olacaktır.

Bunlar genell ikle kristalin düzgün bölgelerini zapt ederler ve kristalim özell iklerinde dramatik ve

çok derin etkilere sahip olabil irler. Klasik örnek yarı iletken materyal s il ikondur; çok küçük miktarda

fosfor kirl i l iği yaratıldığı zaman fosfor atomları sil ikonla yer değiştirir ve komşu silikon atomlarıyla

dört kovalent bağ oluşturur. Fakat fosfor si likondan bir fazla elektron sunar ve ekstra elektronlar

fosfordan kolaylıkla taşınabilir (iyonize olur); elektronlar kr istal içinde taşına bil ir ve bu yüzden

elektrik iletkenliği artacaktır. Sil ikon bir yarı i letkendir ve fosfor kirl il ikleri materyal içine

katıldığı(dop edildiği) zaman madde n -tipi yarı iletkene dönüşür(‘n’ çünkü materyal içinde aşırı

negatif yüklü elektro nlar akımı iletir). Alternatif olarak sil ikona bora benzer elektron eksiği olan bir

element ekleye bilir iz. Yine bor atomları s il ikonun yerine geçer ama komşu atomlarla kovalent bağ

yaparken bir elektron alma ihtiyacı duyar. Çevredeki kristallerin birinden eksik olan elektronu çeker.

Bu kayıp elektron gerçek bir parçacık gibi davranır. Hem kristalin içinde hareket edebilir (bu gerçek

gibi, tabiî ki diğer elektronlarda hareket eder ama o boşlukta hareket ediyormuş gibi davranır) hem

de pozit if bir yüke sahip miş gibi davranır(negatif parçacığın yokluğunda pozitif bir türdür). Yine

yarı iletkenin elektrik i letkenliği artmıştır ama materyal şimdi p -tipi yarıi letkendir çünkü pozitif

yüklü boşluklar fazladır. Bu yüzden sil ikonun elektrik özell iklerini ona çok az s eviyede safs ızlık

Şekil 42 MgSiO3 lmenite

Şekil 43 Mg2SiO4

ekleyerek ayarlaya bilir iz(tipik olarak milyonda birden daha az s il ikon atomunu safsızl ıkla yer

değiştirerek). Ve mükemmel bir fenomen, sonra ‘p’ ve ‘n’ tipi materyaller üst üste konur. Böylece p/n

temas noktası dalgalı akımı doğru akıma çevirir . Bu maddeler akımın yalnızca bir yönde geçiş ine izin

verir ve elektrik devrelerinde hayati öneme sahiptir . Gerçektende Border ve Shockley’ in p/n temas

noktasının doğrultucu özelliğini keşf i modern elektronik çağının habercisi olmuştur. Son yıllarda

hayatımıza girmiş olan bilgisayar teknolojisi buradaki resimlerin yapımında kullanılmıştır , düşük

seviyedeki safsızl ık ile kristal sil ikonun elektrik özelliklerinin kontrolü gerçektende mümkündür.

Daha kompleks ama kadar da önemli düzensizlik t iple ri yerinden etme olarak bil ine satır

bozukluklarıdır, bunlar kristal paketinin modundaki hatalı bölgelerden oluşur, örneğin; atomun

ekstra tabakalarının tamamlanmadan araya girmesi gibi. Bu türler kristal büyürken ortaya çıkar ve

ısı veya mekanik bozunma i le başlar, dramatik olarak materyalin davranışını etkiler, bunlar

materyalin akmasına ve bükülmesine izin verirler ve bunlar yüksek konsantrasyonda olduğu zaman

materyalde hatalara da yol açabil irler.

Katılardaki bozuklukla ilgilenen bil im son k ırk yıldır ilerlemiştir . Gerçekten katılardaki düzen

ve düzensizliğin bütün alanı şimdi anlayışın i lginç seviyesine ulaşmıştır . İ lginç şekilde bazı katılar

çok yüksek seviyede düzensizl ikleri talere ederek kristal yapılarını korurken bazıları da çok az

miktarda safsızlık içerdiklerinde bu erime noktalarında görülmektedir. Ama yinede düzensizl iğin

oluşumuna gerekli olan enerji ve onun balans değeri arasında sabit değerleri ve onun konsantrasyon

gradyenti olan entropiyi anlaya bilmekteyiz.

ATOMLAR VEYA DÜNYANIN YAPILDIĞI ŞEYLER

Maddelerin son bileşeni nedir? Bu soru her zaman bil im hayalini ateşlemiştir; ve büyük ölçekli bilim

aktivitelerinin,yüksek enerji fiz iği arkasında entelektüel etki gücü olmayı sürdürmektedir. Yunanlıla r

maddenin görülmeyen atomların doğasında kurgulamışlardır, Newton için atomlar kütlel i, sert ve

bölünmez olmuştur. modern atomik teori Manchester erkek öğretmeni olan John Dalton tarafından

dahice bulunmuştur. O şunu önermiştir ; on dokuzuncu yüzyıl kim ya bilgilerinden farklı olarak

(gazlar ve katıların reaksiyonlarının ağırl ık ve hacimle bağlantısının olduğunu kabuk eden) farklı

kimyasal elementlere karşılık gelen atom tiplerinin farklı olacağı postulatıyla akılcı düşünmüş

olabil ir , farklı atomlar farklı kütlelere sahiptir ve verilen bileşikte basit oranlarla reaksiyon

yapmıştır . On dokuzuncu yüz yıl ilerlemeleri olurken molekül veya atomların toplanması fikri kök

salmıştı ve kimyasal analiz tekniklerindeki gelişmeler ile temel moleküllerin atomik bileş enleri

keşfedilmiştir . Moleküler şeklinin f ikri ortaya

çıkmaya başladı. Organik kimya biliminin dönüm

noktası benzen molekülü için alt ıgen halka

yapısını Loschmidt ve Kekule'nin keşfi olmuştur.

Burada kimyasal elementlerin artan sayılarının

özdeşleşmesi (farklı atom tipleri) ve bunarın

kütlelerinin belirlenmesi i le onların f iziksel ve

kimyasal özelliklerinde şematik eğil imler

görülmeye başlamıştır . Rus bil im adamı

Mendeliev atomik kütleleri temel alan tabloları

keşfetmiştir , ama buradaki elementler her biri

sekiz element bulunduran yatay periyotlarda

düzenleme yapmıştı ; sınıflandırmadaki

elementlerin gurupları veya yatay dizilmiş

kolanlarda ise atomların özelliklerinde önemli

benzerlikler ve sıradanlıklar görülmüştür.

Mendeliev fevkalade yaratıcı sı nıflandırma yapmıştır , tabiî

ki bu formülasyon zorunlu olarak boşluklar ve

tutarsızlıklar içermekteydi, çağdaş kimyanın köşe taşlarından bir i olan elementlerin modern

periyodik tablosu sonradan geliştir ilmiştir .

On dokuzuncu yüzyıl içinde kimyasal bilgi ler hızla geliş irken maddenin son görülmeyen bileşeni

olarak atom fikri olduğu yerde durarak geri kalmıştır , yüzyıl ın sonuna d oğru şaşırtıcı keşif lerin

Şekil 44Benzenin bilgisayarla yapılmış bir resmi gösterilmektedir.

ardı ardına gelmesiyle klasik fiziğin temelleri yıkıl ır hale gelmiştir . Parçacıklarda negatif yüklü

ELEKTRONUN keşfi , ışık atom altı parçacıklar J .J . Thompson'nun ve Becquerel'in radyoaktivitesi

yoluyla atomların altyapıları f ikri açıklığa kavuşmuştur. Aynı tarihlerde Röntgen'in X -ray ışınlarını

keşf iyle sonradan kullanacağımız sağlam bir yansımaya sahip olduk. Başka bir temel gelişme atomun

Rutherford çekirdek modelini sansasyonel bir şekilde keşf iyle olmuştur. tüm zamanların büyük bil im

deneylerinden biri Rutherford’un öğrencileri Geiger ve Marsden bir radyoaktif ışın kaynağından

çıkan parçacıkla ince al tın folyoyu bombardıman etmiştir ; dağılan parçacıklar flüoresans ekranla

belirlenmiştir . Sağda gösterildiği gibi sonuç beklenmedik ve fevkalade olmuştur; burada

parçacıkların çoğunluğu folyo içinden geçmiş, sadece çok küçük veya ihmal edilebilecek kadar kı smı

yansımıştır , küçük orandaki bu kıs ım büyük açıyla

yansımıştır . Bu gözlemler ancak atomun çoğunluğu

boştur, çekirdek pozit if elektrik yüklüdür ve neredeyse

atomun kütlesinin tamamına yakınını (santimin yüz

milyonda biri büyüklüğünde) barındırır, şeklin deki

model ile açıklanmıştır . Rutherfod’un deneyleri

çekirdeğin büyüklüğünü bundan on bin kat daha küçük

olduğunu göstermiştir . Bizim atomik yapıyı modern

anlayış ımızın temeli olan çekirdek modeli böylece

doğmuş oldu.

Hangi tür konular bu atom çekirdeğine girer? Bu güneş

sistemiyle çarpıcı benzerlikler göstermektedir, pozit if

yüklü çekirdeğin çevresinde negatif yüklü

parçacık(elektron) orbitalleri ışıkları temsil etmektedir.

bu gibi fikirler birkaç nedenden ötürü yetersizl ik gösterirler. Atomun modern anlayış ına hereket

etmeden önce yüz yıl önce ortaya çıkmış olan üç yeni fikri örenmeliyiz. İ lki kuantizasyondur. Bu fikir

ilk olarak Max Planck ‘ la güçlenmiştir , o siyah cis im elektromanyetik radyasyon yayımında

frekansların dağıl ımını açıklamıştır; öğreti s inde enerji sürekli değişmeyen ama ayrık miktarlardadır

ve kuant olarak bilinir. Bu fikir sonra Einstein i le gelişmiştir; aynı yıllarda rölativitenin özell iği

teoris ini yayınlamıştır , bu fotoelektrik olayın işleyişini göstermiştir . Gözlemleri katılarda

elektromanyetik radyasyonun ışımasında elektronlar bazı eşik frekanslarının üzerinde ış ık yayarlar -

öğretide bu zorunluydu, radyasyonun enerjisi ayrık kümeler veya kuantlar içinde paketlenmiştir ,

bunun miktarı radyasyonun frekansına balıydı. Bu

elektromanyetik radyasyon kuantı foton olarak

isimlendirildi. Atomun enerjisin in kuantizasyonuna

dair delil atomik spektroskopi biliminin keşfedilmesi

olmuştur, burada atomların elektromanyetik

radyasyonu absorpsiyonu ve emisyonu üzerinde

çalış ılmaktadır. Atomik spektrum iyi keşfedilmiş

sınırlarda yakınsanan paket frekansların bir

sıralamasından oluşur. Bu yüzden atomlar kuantize

olmuş ama sürekli biçimde olmayan radyasyonla

enerji alışverişi yaparlar. Atomların enerjisi bu

yüzden kuantize olmuştur.

İçinde kuantizasyonun da ulunduğu atomun

gezegen modeli Neils Bohr tarafından cesurca ortaya

atılmıştır . Orbitallenen elektronlar Bohr modelinde

sadece bazı enerj ilerde buluna bilirler. Bohr’un temel

amacı atomların en basit yapılıs ı olan çekirdeğinin

çevresinde dolaşan bir elektrona sahip hidrojen için gözlenen spektrumu açıklamak olmuştur.

Bohr’un modeli çoğu kompleks atom için başarıs ız olmuştur ve atomik ve atom içi seviyedeki

maddelerin dalga benzeri özell ikleri gibi daha acayip olgularla karşılaşıldığında olan aksız duruma

gelmiştir .

Bu acayip davranış için ilk açık kanıt ince alt ın folyosuna elektronların ışımasıyla ışık ede etmiş

olan Davidson’nun deneyinden gelmiştir(Rutherford ve öğrencileri bir parçacıkla alt ın folyoyu

bombardıman etmişlerdir). Sonuçlar yine dramatik olmuştur; folyonun geris inde belirlenen elektron

Şekil 45Periyodik tablo.

Şekil 46 Gayger Marsden deneyi: alfa parçacıkları altın folyodan geri yansımaktadır, ufak pozitif yüklü çekirdekler içeren altın atomu görülmektedir.

örnekleri ışığın kırınım ağından geçerken ki durumuna bezer sonuçlar oluşturmuşlardır , kır ınım

olmuştur. İkincisi düzenli iki boyutlu yapı oluşturmuş, mesela camda çizilen hatlardır. Işık dalga

hareketi yapısındadır; o bir ayır ıcı içinden geçtiği zaman ayır ıcının farklı kıs ımlarından geçen

radyasyonun alttan veya üstten geçi geçmediğine bağlı olarak yoğunluk sıralaması gösterir, solda

görüldüğü gibi eski durumda yoğunluk artmıştır , sonraki durumda azalmıştır . Şimdi Davidson’nun

elektronlarla deneyinden ne görüldüğüne bakalım. altın folyo beklenildiği gibi kırınım aracı görevi

görmüştür ama buna ek olarak atomun doğrusal s ıralanmaya sahip olduğunu da görmekteyiz. İzahat

açıktır :elektronlar dalga benzeri davranmaktadırlar ve filmde alt ın atomları vasıtasıyla kırınım

sağlanmıştır . Atomik seviyedeki maddelerin dalga benzeri özell ikleri için diğer bir kanıt ; de Broglie

vesilesiyle oltaya konulmuştur, bu bir parçacığın dalga boyu ve onun momentumu arasında iyi bir

bağlantı(ters) olduğunu keşfetmiştir .

Atomlar ve elektron benzeri atom altı parçacıkların ış ık saçma olayı anlaşılması zor olmuş

olan ama önemi çok büyük dalga ve parçacık özell iklerinin her ikis ine de sahiptir(mesela elektron

mikroskobunun modern tekniğin başında gelmesi gibi). Bu klasik fiziğin temel prensiplerinin

bazılarına zarar veren ilginç sonuçlar ortaya koymuştur. Bundan dolayı eğer bir elektron(veya başka

bir parçacık) iyi tanımlanmış bir dalga boyunda dalgaya benzer özell ik gösteriyorsa (ve de Brogle

hesabına göre iyi tanımlanmış bir momentuma sahip) , onun yeri hakkında çok az bilgiye sahibizdir.

Eğer parçacığın yerini doğru olarak bulursak onun dalga boyunu ve momentumunu değişmiş

bulacağız. Ve parçacık bunun dışına geldiği zaman her türlü deneyle doğru olarak bulabileceğimiz

parçacığın pozisyonu ve momentumunu aynı anda tam olarak bilemeyeceğimizdir. Bu meşhur

Heisenberg' in belirsizlik prensibinin bir formülasyonudur; bu klasik fiziğin determinizm ilkesinden

radikal bir ayrıl ıktır . Mikroskobik s istemlerde tüm değişkenlerin tam ve kesin bilinemeyeceği ve

herhangi bilgi edinme çabasında sisteme giren ölçüm etkileri sistemi değiştireceği için buna gir işmek

hatalı olur.

Atomun herhangi teori yada tanımı bu yüzyıldaki kuantizasyon ismiyle bil inen dalga parçacık

ikil iliği ve belirsizl iği i le ortaya çıkmış olan yeni fiziğin bu üç özelliğini hesaba katmalıdır.

1920'lerin teorik f izikçileri bu meydan okumaya karşı dura bilmişlerdir. Heisenberg, Schrödinger

Dirac ve diğerleri-kuantum veya dalga mekaniği - atom benzeri mikroskobik objelere uygun yeni bir

mekanizma formüle etmiştirler. Klasik meka niğe benzeyen (gerçekten herhangi bir bil imsel teori

gibi) mükemmel ve ispatlanamamış öğretilerde beklemektedir ; onun gerçekliğine gerçekleşen ve

tahmin edilen gözlemlerde sonuçlanan teorinin başarısıyla hüküm verilmektedir . Kuantum mekaniği

sahibi olduğumuz sistemi bir dalga fonksiyonu(çoğunlukla yunan alfabesindeki f harfiyle gösterilir)

ile vere bileceğimiz öğretisiyle başlar. f parçacığın pozisyonuna bağlıdır(ve daha genel bir

formülasyona sahiptir). Tabiî ki f 'nin fiziksel yorumunda bulmak zorundayız. Dalga fonksiyonunun(f)

karesi dalga fonksiyonunun kendisi değildir ve fiziksel bir manası vardır ; bu mana olasılık

fonksiyonu olarak yorumlanır. Özel bir noktada f' nin değeri bu noktada f'nin tercih ettiği

parçacığın (parçacıkların) bulunmasının olasılığıdır, örneğin hidrojen atomu için f çekirdekten farklı

uzaklıktaki elektronlar ın olasılık yoğunluğu olarak söyleriz. B elirs izlik ilkesiyle söylenen olasıl ık

yaklaşımı bu yüzden kuantum mekaniği içinde inşa edilmiştir .

' f 'nin hesaplanması için bir diğer adım eşitl iğin formüle edilmesidir. kuantum mekaniğinin

öncüleri çok zekilermiş. Klasik fiziğin temel eşitl iklerind en bir isi olan toplam enerjinin korunumunu

ele almışlardır, ve yeni bir mekaniğin gerektiği durumda tabi gözlemlerle çözümlerinde onu yeniden

düzenlemişlerdir. Onlar f 'nin türevinin(eğimi) klasik eşitl ikteki momentumun yerini aldığını

bulmuşlardır, bunlar klasikten kuantum mekaniğine geçiş in etkileri olabilir . Çözülen eşitl ikler için

(Schrödinger eşit liği) dalga benzeri çözümler yapılmakta dır . Serbest bir parçacık için(serbest

elektron benzeri) saf bir sinüs dalgasının çözümü elde edilmiştir . Dalga boyu sol da görüldüğü gibi de

Brogle postulatındaki enerj i ve mom entumun yüksekliğine bağlıdır. Hesaplanan bir parçacık için bir

elektron sabit boyutlardaki kutu içinde veya bir atomun içindeki elektron olarak hesaplama

yapıldığını görmekteyiz bur ada Schrödinger eşitliğinde sadece bazı dalga boylarında ve konumlarda

çözümüne izin verilmektedir;

BAĞLANMALAR VE ENGELL ER;YÜZEYLER VE ARAYÜZEY LER

Moleküller ve maddelerin davranışları bir çok örnekte

sadece onların kendi iç davranışl arıyla değil onların

yüzeylerinin davranışlarıyla da belirlenir. Kimyasal

reaksiyonlar çoğunlukla yüzeyde gerçekleşir ve yüzey

kimyasal endüstrinin çoğunda ve yaşamımıza faydaları

olan hidrojenin katalizlenmesi alanında olduğu gibi

kimyasal reaksiyonları h ızlandırabil ir . Enerjinin büyük

miktarını tüketen sürtünme yüzeyde gerçekleşir, her bir

yüzey diğerinin üzerinde kayar. Katalizin gelişmesi yüzeyde

olur ve eğer biz bunu önlemek istersek yüzeyleri

düzenlememiz gerekir. Bilgisayarlar yüzey yapıları ve

davranışlarının bil inmesi ve gözlenmesinde rehberlik eder.

Kristal yüzeylerinin enerji lerine ve yapılarının modellene bil irl iğine ilk

olarak bakacağız. Bunu şekil veya morfoloji modellemesi yoluyla

göstereceğiz. Farklı katı maddeler arasındaki ara yüzeylerin şaşırtıcı

problemlerine göz attıktan sonra yüzeydeki reaksiyonları ve katalizi

göz önüne alacağız.

Yüzeyde Atomik Düzenlenme

Atomik seviyede bakıldığında yüzey yapısında ne oluyor? Bu kolay bir soru gibi görünebil ir . İkincisi

basitçe yapıldığı gib i bir kristali dil imleyerek yüzeyi gözlemleyemez miyiz? Bu gibi durumlarda

yüzeyin yapısı kristallerdekine benzemez mi? Çoğu durumda bu t ip modellerin iyi çalışt ığı görülür.

Örneğin çoğu metalin yüzeyi iyi bir yaklaştırmada, kristal yapının sonlanması solda gösterilmiştir .

Fakat yaklaştırma çoğu durumda do ğru değildir ve bazı

durumlarda tamamen yanlıştır .

Çarpıcı bir şekilde başlamayacağız ama bu örnekte klasik

kristal yapıdaki sodyum klorür ile ortaya konan yapı

yüzeyinde önemli değişimler olmaktadır. Anl aşılan

maddenin yüzeyinde ince değişimler olmaktadır,

bilgisayar tekrar bizim yardımımıza gelmiştir . Yukarıdaki

resim NaCl’nin yüzey yapısını simülasyonunu

göstermektedir(burada gösterilen metot tipi enerj i

minimizasyonu dur).

Burada Na ve Cl iyonlarının her ikis inin de yüzeyde yer

aldıklarına dikkat edin: Na + hafifçe yüzeyin içine doğru ve

Cl - hafifçe yüzeyden dışarı doğru hareket etmiştir . Açıktır

ki yüzey tabakasındaki atomlar kristalin ana yapısından

farklı kuvvetlere maruz kal maktadır; ve bunlar küç ük ama

önemli değişmelerle yapılmaktadır.

Sonraki örnek daha sağlam bir yeniden düzenlenmeye sahiptir.

İlk korindonda,Al 2O 3 , ana kristalle karşılaştır ıldığında yüzeydeki atom tabakaları arasındaki

ayrımda çok önemli değişmeler görmekteyiz. Üçüncü örnek be lki daha ilginçtir. Onda kuartzın yüzey

yapısı gösterilmektedir(SiO 2 ’ in polimerlerinden bir i). Özel yüzeylerin kararlı olduğu bulunmuştur,

yüzeydeki oksijen atomlarının hidrojenasyonu zorunludur, burada hidrojen atomları bağda

silisyumun yerini alır ve yüz eyin oluşmasını önler. Fakat yüzey yüzeydeki OH gurubunun sağlam

düzenlenmesi (ve yüzey bölgesindeki diğer atomların esnemesi) ile kararlı hale gelir .

Şekil 48 Al2O3’ün yüzeyinin yeniden düzenlenmiş hali.

Şekil 47 Sodyum klorürün yüzeyi. Burada yüzey yeniden düzenlenmiştir. Sodyum iyonları yüzeyin içine doğru ve klor iyonları yüzeyin dışına doğru hareket etmiştir.

Belki sil ikon gibi yarıiletkenlerin yüzeylerinin yeniden düzenlenmesi ile çok çarpıcı farklı yüzsel

yap ıları bulunabil ir . Bağların kır ılmasından sonra oluşan yüzeyler şiddetli yeniden bağlanma

proseslerinin beraberinde çok i lginç, yeni, kompleks yüzey yapılarının oluşumunu tetikler; bunlardan

bazısı görülmektedir.

Yine bilgisayar metotları bu yapıların det aylıca açıklanmasına

yardımcı olmakta ve bunların kararlılığını kontrol eden faktörler gibi

yol gösterici verilerin edesinde en iyi değerin verilmesini sağlar.

Mükemmel yüzey yapılarının görülmesi burada idealize edilmiştir .

Gerçek yüzeyler düzensizl ikler içerir. Bazı sık olanları yukarıda

gösterilmiştir . Burada (teras diye isimlendirilen) mükemmel yüzeyin

ayrılan adım yüzeylerini görmekteyiz. Bu adımlar kendil iğinden

düzensizlikler içerirler -şekilde düğümler ve köşeler görülmektedir. Ek

olarak yüzeyde boz ukluklara ve düzensizl iklere sahip olabil iriz. Bu

gibi bölgeler yüzeydeki kimyasal reaksiyonlarda çok önemli bir rol

oynaya bilmektedir. Bunlar sonra tartışı lacak.

Gerçek yüzeylerin yapıları hakkında bir şeyler öğrenebil inmemiz için

son yıllarda keşfedilen yeni bir mikroskop tipi yeniden

yapılandırılmıştır . Bu çok ideal bir örneği temel alır , bir nesnenin

yapısı hakkında bilgi edinmek istediğimizde temel mantık çok sivri bir

ucu onun üzerinde yürütmektir. Solda gösterilen resimde yüzeyin

resimlenmesi için çok kullanılan bir tekniğin temel modda çalışması

görülmektedir.

Burada sivri uç otomatik olarak yüzeyi tarar.

Tekniğin bu versiyonu atomik kuvvet

mikroskobu olarak bil inir, bunda uç yüzeyi

tararken yüzey ile kuvvetin etkileşiminin

sabit olması için zorlama yapıl ır . Bunu

yaparken uç aşağı ve yukarı hareket eder, bu

hareketler yüzeyin yapısına karşıl ık yapılır ,

ve görüldüğü gibi sonuç yüzeyin şekline

çevrilebil ir .

Eğer bu resmi yorumlarsak yüzey ve uç arasındaki etkileşim modeline ihtiyaç duyarız. Alexande r

Shluger’ in şuan ki çalışmaları yüzey ve uç etkileşimini nasıl s imüle edebileceğimizi göstermektedir.

Soldaki resimde sabit uç -yüzey etkileşiminin korunduğu kaya tuzu (sodyum klorür ) yüzeyinde

Şekil 3 Silikom atomlarının ortaya koyduğu zicir silikon yüzeyi.

magnezyum oksit uç taramasının modeli görülmektedir. Uç yukar ı, aşağı hareket etmekte ve simü le

edilmiş resmi oluşturmada kullanıla bilmektedir.

Bu görülen simülasyonlarda bazen uç yüzeyi aşır ı şekilde karıştırmaktadır.

Burada uç bir kenar üzerinde tarama yaparken neler olduğunu görmekteyiz.

Uç kenar üzerinde ilerlerken temel bir düzenleme bulunamaz. Açıkça bu

çeşit bilgi eğer planlama yapıyorsak ve bu deneyleri önceden

yorumlayacaksak hayatidir.

ATOMLARIN BİRARAYA TOPLANMASI; DÜZEN VE DÜZENSİZLİK

Bizim gündelik yaşamımızı çevreleyen ne sneler mili metreden yüzlerce metreye kadar değişen

büyüklük aralığındadır. Fakat moleküller metrenin miyarda birinden daha küçüktürler. Bu yüzden

maddeler sayılması hayal edilemeyecek kadar fazla atomlardan oluşurlar (milyon, milyar, 10 2 4) bu

dev atom yığınlarının davranışlarını nasıl anlaya bil iriz? Kimyasal bağ yapmadıkları durumda

moleküllerin birbir lerini çekmek ve itmek gibi etkileşimlerini yeniden söyledikten sonra. Sonraki

bölümde moleküllerin iki boyutta ve üç boyutta sınırsız olarak nasıl uzaya b ildiklerini göreceğiz .

Ama atom ve molekül topluluklarının nasıl davrandığını anlamamızda bize yol gösterecek temel

prensiplerin olup olmadığına bakacağız.

Topluluklardaki cis imlerin davranışını bizim anlamamıza yardımcı olacak çok derin ve önemli

prensiplerden bir i termodinamik bil imiyle sağlanır. Bu bil im sıcak motor teknolojis inin gelişmesiyle,

bunlardaki verimi s ınırlayan faktörlerin çözülmesi için mühendisl iğe bağlı olarak on dokuzuncu

yüzyılda gelişmiştir . Bil im tarihinin büyüleyici özell iklerinden bi r i de çok derin ve sofistike bilim

alanlarında formülasyonlasın i lgili alanı karıştıracak şekilde kullanılabilmesidir. Gerçektende

termodinamiğin ikinci kanunu bizi çevreleyen atmosfere yöneliktir . Üstelik termodinamik teorinin

temel iddiası basitt ir .

İlk kanunun formülasyonu, enerj inin temelde çevrilebileceği ama yoktan var edilemeyeceği ve vardan

yok edilemeyeceğidir. Enerji tabiî ki termodinamik ile şimdiye kadar gelişen bilim kavramının bir

anahtarıdır. Enerji ; hareket (kinetik enerji), pozisyon (potans iyel enerj i), ıs ı , kimyasal ve elektrik

enerjis i gibi birçok yapıda açıklanır ve bunlar da bir birlerine dönüşe bil irler. Enerji kavramının

kullanışl ıl ığı çevrim prensibindendir. Bu prensip enerjinin değerini etkileyen basit bir durumdur

’sabit değişim oranları’ kanunun doğal olarak çalışması şu şekildedir : elektrik enerjisinin verilen

miktarı aynı miktarda ısı enerj isine veya bir başka türe dönüşecektir.

İkinci kanun daha çok göze çarpıcıdır ve daha geneldir, kullanışl ı formülasyonlar la bilimsel

araştırma kavramına daha yatkındır. Ka nunu anlatmaya başlamanın değişik yolları vardır, bunların

en geniş kullanılanı ve basiti şu şekildedir; ‘s istemler bütününde göze alındığında entropinin arttığı

tarafa doğru meyill idirler ’ . Entropi kesin olarak tanımlanabil ir ve ölçülebil ir bir miktardır ve

sistemdeki düzensizlik derecesinin miktarıyla açıklana bil ir , bu da aşağıda kısaca görebileceğimiz

matematiksel eşit lik ile yazılabilir . İkinci kanunun tüm diğer durumları bu formülasyona eşit lenebil ir

veya bundan çıkarılabi l ir . Örneğin iyi bi ldiğimiz (ve doğru) şey olan ‘entropinin zamanın oku’ olması

bizim zamanın ilerleyiş inden anladığımız manadaki ilerlemenin sadece değeridir .

Termodinamik ‘makroskobik gözlemler’ ile konulara bakar ama fiziğin çok önemli eşitl iklerinin

biriyle, atomlar ve moleküllerin mikroskobik dünyasıyla da bağlantıl ıdır.

𝑆 = 𝑘 𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑊

Burada S sistemin entropisi, k bir sabit (Ludwig Boltzman’ın eşitl iğinin orijinal formülasyonun dan

sonra Boltzmann sabiti adını almıştır) W matematiksel durumlarda s istemin ‘Olabil irliği ’dir .

W sistemin bütün özellikleri i le tutarlı atom veya moleküllerin düzenlenme yollarının sayısıdır.

Sistem atomik seviyede yüksek olasıl ıkta düzensizl iğe ve bu yüzden yüksek oranda entropiy e sahiptir.

Boltzmann eşitl iği bundan dolayı düzensizl ik terimi içinde entropinin yorumlanmasına önem verir.

Bu eşit lik mikroskobik seviyedeki maddelerin statiksel davranışlarını açıklayan statiksel mekaniğin

mikroskobik konuları i le termodinamiğin makrosk abik bilimini bir noktada buluşturur.

İkinci kanun doğanın çoğu temel özell iğinden biri olan i lerlemenin düzensizliğin arttığı yönde

olmasının kanıtlanabilirl iğini ve tam anlatımını sağlamaktadır. Fakat düzenli yapılar da doğada

vardır. Gerçekten kristallerde bulunan düzenli ve kompleks yapılarda bunu açıklayacağız ,

kıristografi bil imi üç boyutta düzenli yapılarla ilgilenir. Yaşayan nesneler gözle görülecek derecede

organize olmuşlardır ve yüksek seviyedeki planlamalar onların fonksiyonu için zorunludur. He rhangi

bir vesileyle düzen ve entropi arasında il işki söz konusu olduğu zaman kristaller ve yaşayan

maddeler düşük entropil i sistemde olmalıdırlar. Yüksek entropili halde sabit olarak ilerleyen evrende

bu nesneler nasıl hayatta kalacak?

Bir çok karmaşıklığa neden olan bu problemin anahtarı ‘bütün sistemi’ göz önüne aldığımızı yeniden

söyleyerek bunu ikinci kanunun formülasyonunda bulabilir iz. Kristaller ve yaşayan maddeler toplam

sistemin sadece bir kısmıdır ve bunlarla ısı değişimi yapan çevreyle kuşatılmı şlardır. Bağlantı

termodinamikte açıkça formüle edilmiştir ,bizim ilgilendiğimiz toplam sistemin birleşenlerine (alt

sistemlere) odaklanırsak ve geri kalanını da sıcaklıkla karakterize ettiğimiz ısının emildiği yada

verildiği bir ısıtma banyosu gibi bir bileşen olduğunu kabul edersek . Şunu ortaya koymamız gerekir

ki düzenli haller düşük enerjilidirler. Ve bir düzenli sistemden düzensiz sisteme geçişte bizim ‘alt

sistemimiz’ çevreden enerji emmelidir. Fakat çevreden enerji emdiğimizde çevre düşük düzensizl iğ e

sahip olur, çevre entropi kaybeder. Ne olacağı alt sistem ve onun çevresinin entropi değişimleri

arasındaki dengeye bağlıdır. Yine termodinamik teorinin formülasyonu kompleks problemlerde bize

doğru yolu gösterir. Düzensizliğin yani entropinin kaybı, çe vreden alınan enerji i le çevredeki

enerj inin miktarını düşürür ve yapıdaki enerjinin en yüksek olduğu durum onun sıcaklığının en

yüksek olduğu durumdur. Yüksek sıcaklıklarda entropi kaybı düşük olur. Termodinamik kesin

matematiksel bağıntılarla beraber yür üyen bell i sezgilerin açıklanmasıdır, termodinamik şunu

söyler; herhangi bir sistemin (ısı banyosu gibi) veya alt sistemin entropisindeki değişim (burda bunu

∆S ile göstermekteyiz) ısı (burada Q ile gösterilmiştir) kazanma veya kaybına direkt olarak bağlıd ır,

fakat sıcaklığın tersiyle orantıl ıdır.

∆𝑆 = 𝑄/𝑇

Bu eşitlik bil imdeki bir başka faydalı, anahtar eşitliktir . Termodinamik kavramdaki sıcaklık doğru

bir denklemle tanımlanmıştır . Dahası sıcaklı ğın bu termodinamik tanımının sonucu sıcaklığın

‘mutlak sıf ır ’ noktası kavramı doğmuştur. Bu noktada s istemin enerjisi yoktur ve klasik f izik bu

noktada atomların tamamıyla hareketsiz olarak düzenlendiğini kabul eder. Üstelik kuantum

mekaniğinin çok garip sonuçlarından bir i bu klasik kavramın yanlışl ığıdır. Enerjiye sahip

olmadıklarında atomlar yinede hareketl i olacaklardır, bu noktada sıf ır noktası hareketlerine sahip

olacaklardır, eyer bu noktada bu şekilde davranış olmazsa belirsizl ik prensibi çel işkili hale

gelecektir. ‘mutlak sıf ır ’ hipotetik bir noktadır, hiç bir zaman başarılamaz, yinede düşük sıcaklık

fiziği bu düşük enerjil i halin bil bölü birkaç milyo n derece yakınına yaklaşmıştır .

Düzen ve düzensizliğe geri dönersek, düşük s ıcaklıklı s istemler düzenli hale adapte olma

eğilimindedirler. Yukarda gösterildiği gibi düzenli sistemler enerji verimliliğine sahiptir.

Düzensizliği başarmak için bir hal çevreden enerji emerken çevrenin düzensizl iğini azaltır . Sıcaklık

artarken çevreden kaynaklana düzensizl iğin kaybı düşük hale gelir ve kendisi için düzensizl iği

büyütme başarısı enerj ideki kazancı artıracaktır. Bu değişimin en i lginç ve dramatik örneği erime

prosesidir. Kristalin katılarda atomlar düzenli şekilde yerleş mişlerdir, sıvılar atomik seviyede

düzensizlikle karakterize edilmektedirl er. Erime prosesinde düzenli kristal halin düzensiz s ıvıya

çevrilmesi sırasında daha az enerji li düzensizleşen hal oluştuğu için bu enerji gir işini gerektirir

(erimenin gizli ısısı olarak bil inir). Kristalin eridiği sıcaklıkta erime i le entropideki artış sistemin

emdiği gizli ısı ile beraber gelen çevrenin entropisindeki kayıptan daha ağır basmaktadır.

Termodinamik teori ve istatiksel mekaniğin beraberindeki konuların gelişmesi modern bil imin büyük

entelektüel başarılarının bir başka sonucudur. Bunlar bizim çevremizdeki nesnelerin bulunduğu

makroskobik dünya i le mikroskobik dünya arasında köprü kuran, inanılmayacak sayıda atom ve

molekülün bir araya toplanma davranışını kontrol eden temel faktörleri anlamamıza izin verir. Ve

bunlar evrendeki düzen ve düzensizlik arasındaki dengeyi anlamamıza izin verir . Çoğu düzenli nesne

kıristal yapıdadır.

SIVILAR VE GAZLAR

Yüksak s ıcaklıkta düzensizlik baskındır. Sıc aklık arttığında bu entropideki kazancı karşılamak için

gerekli düzensizlik artış ı daha, daha düşük olur; çevreye kaybolan entropi sıcaklığın artması i le daha

düzensizleşmiş hale düşülmesi durumunda enerjinin geri emilmesi ile karşılanır . Çoğu katı bu yüzd en

sıvılardan yüksek s ıcaklıklarda erir( gerçi bazıları süblimleşir yani doğrudan gaz hale geçer). Sıvılar

daha yağundur ama üç boyutta atomların dizilimi düzensizdir.

Sıvıların yoğunluğu genellikle bu gibi katıların kinden düşüktür(bu öngörüyü sonra göreceğiz), fakat

çok az. Atomlar ve moleküller bu yüzden sıvılar ve katılarda kabaca benzer uzaklıktadırlar. Bunlar

nasıl düzenlenmiştir? Hakim olan üstünlük

düzensizlik midir? Son soruya cevap kesinlikle hayır

dır. Sıvıların X -ray taramalarından ve nötronlar la

taranmasından yapıları hakkında bilgiye sahi p

olmamıza rağmen yapı açısından sonuçların ön

görülmesi önceden bahsedilen kristalik katılardan

daha zordur. Deneyler göstermiştir ki sıvılardaki

atomlar veya moleküller iyi tanımlanmış sıralama

sayılarına sahiptirler ( örneğin onların çevreleri iyi

tanımlanmış bir gurup diğer atomlarla çevrilidirler)

ve s ıralanma sayıları kıristalik katılarla

karşılaştırı ldığında benzer sayıdadır. Daha uzun

soluklu koordinasyon kabukları çoğunlukla

tanımlana bilir . Sıvıları k ır istalik katılarla

karşılaştırdığımızda eksik olan şey uzun menzil li

düdenlenmedir. Sıvı yapıları periyodik değildir. Onları üç boyutta bir bir ini tekrarlayan bir im

hücreler olarak tanımlayamazsınız. Fakat kısa aralıkl ı düzenlenmeleri vardır. Eğer ‘Maxwel l’ in

şeytanı’ na benzetirsek bireysel atomları veya molekülleri makul bir şekilde iyi tanımlanmış

yapılarda bizim görüşümüzü ortaya koyabilir fakat sıvılarda daha ileri düzeye gittiğimizde düzeni ve

yapının öngörülebilirl iğinin gittikçe kaybolduğunu görmekteyiz fakat görüşümüzü kıristalik katılara

doğru yönlendirirsek düzenin devamı süresiz olarak sürmektedir. Uzun aralıktaki düzenin

kaybolması maddelerin X -ray taraması(veya nötron) ile oluşturulan erime noktalarındaki

modellerinin değişimi çarpıcı olarak görülmektedir . Kristallerin kırının s il itine benzediklerini

söylemiştik: X-ray’ler kesin belirlenmiş açılarda tararlar. Düzensiz s ıvılar kırınım sil iti gibi

davranmazlar sivri bir ucun yerine iyi tanılanmış tarama açılarında geniş ve dağınık pikler gözlen ir ,

sayfanın başında solda görüldüğü gibi. Fakat taramaların analizi yapılar hakkında bilgi edinmemizi

sağlaya bil ir , özell ikle sıvıların kısa aralık düzeyinde.

Yine sıvıların kompleks yapılarının modellerini gelişt irmek için

bilgisayardan yardım alırız . Tabiî ki sıvıların modellenmesinde

dinamik dönmelerin olduğunu hesaba katmalıyız. Atom ve

moleküller sabit hareket halindedirler - bulundukları noktaya

geri dönerler. Moleküler dinamik tekniği onların özell iklerini

izlemek için bu yüzden ideal tekniktir. Gerçekten bu teknik

sıvıların durumlarını anlamamızda fevkalade katkıya sahiptir.

Solda görülen bilgisayar modellerinin resimleri –tipik üç s ıvının

yapısının enstantane resimleridir. İlk sıvı argondur ve zayıf van

der Waals kuvvetlerinin etkisiyle oluşmuşt ur, ikincis i sıvı

azottur ayrık azot moleküllerinden oluşur, üçüncüsü erimiş

tuz(sodyum klorür)’dur iyonlardan oluşmuştur. Her bir

durumda kısa mesafede koordinasyon sayıları katılarda

karşılaşılan değerlere yaklaşmaktadır, fakat modelde uzun

Şekil 1Amorf ve kıristalik maddelerden X-ray saçilması.

Şekil 2 Azot (N2 molekülleri), argon(Ar atomları) ve sodyum klorür(NaCl erimiş iyonlar)

mesafelerde düzenin kaybolduğu görülmektedir.

Bilgisayar modelleri üstel ik sıvılardaki temel özell iklerden

biri olan moleküler hareketleri iz lememize izin verir. Atomlar

ve moleküller kristaldeki sabit hareketlerinde tabiî ki iyi

tanımlanmış sabit bölgelerde zorunlu o larak titreşim hareketi

yapmaktadırlar. Sıvılarda bu sabit bölgeler yoktur, ato mlar

ve moleküller sıvı içinde dağılabil irler. Geliş i güzel manada

hareketleri sıvı argondaki bir argon atomunun göçü için

soldaki resimde bilgisayarla oluşturulmuş yörüngesi

görülmektedir. Bu serbest, kaotik (veya Brownian) hareketler

kıristalik katılardakinin aksine s ıvıların f iziksel özelliklerinde

hayati bir rolü vardır, ki düzenli yapılar müşterek hareketlere

yol açar. Tabiî ki yayılma hızı sıcaklığa bağlıdır, sıcaklık

artarken hızl ıca artar, atomlar ve moleküller daha fazla enerji

kazanırlar. Bunlar beklediğimiz gibi molekülün şekline ve

moleküller arasında görev yapan kuvvetlere bağlıdır. Difüzyon her biri diğerinin etrafında

sarmallaşan durumda, uzun moleküllerde ve molek üller arası kuvvetler güçlü olan moleküllerde

yavaşlama eğil imindedir. Bununla beraber moleküler hareket daha yavaş hale gelir , s ıvı daha viskoz

hale gelir . Moleküler şeklin fiziksel davranışa etkisinin en basit ama iyi örneklerinden birisi

parafinlerle verilebil ir . Bunlarda hidrojenler basit karbon atomları zincir ine bağlıdır. Zincir daha

uzun hale geldikçe sabit s ıcaklık ve bası nçta; metan(CH 4), etan(C2H6) gibi gazlardan, cıvık s ıvılara

(petrol gazolin gibi C 6-C1 0 fraksiyonuna) ve uzun moleküller için C 1 2-C2 0 arasındaki tar (katılara

benzer viskozlukları vardır) gibi viskoz sıvılara değişim olur. Gerçekten difüzyonun oluştuğu atom ve

moleküllerin etkisiyle moleküler hareketler daha yavaş bir hale gelirse öyle bir sıvı madde elde

ederiz ki fiz iksel özell ik leri katılarınki gibidir. Mesela bir cama benzeyecektir.

AMORF YAPILAR – PERİYODİK ÖRNEKLER İÇERMEYEN KATILAR

Cam üretimi bil inen en eski teknolojidir. Eski

zamanlarda batı ve doğuda silikat camları üretilirdi,

camlar Roma’yla birlikte yedi yüzyıldan beri

Akdeniz ’de çokça kullanılan bir maddedir. Cam

yapımının modern metotları bu yakın yüzyılda

keşfedilmiş olan rafinasyon prosedürüdür. Silikon

dioksit hammaddesi (normalde kuartzın yüksek

oradaki kısmıdır) metalik oksit le karıştır ılır , mesela

soda(sodyum karbonat) veya kireç (kalsiyum oksit);

bunlardaki metal ve oksijen iyonları sil ikattaki

silikon dioksitle reaksiyona girerler. Reaksiyona

giren karışım ısıtıl ır ve erimiş si likata çevril ir . Eriyik

bastırıl ır , kolayca potadan boşaltı lır ve daha hızl ı

şekilde su içine dökülür. Çabucak soğur ve hemen

katıya dönüşür. Fakat katıdan kıristalik yapıya

dönüşmesi için farklı prosedürler vardır.

Öğrendiğimiz gibi atomların eriti lmesi onların

düzenliliklerini kaybetmelerini sağlarlar. Ve s ıvılar yoğundur, sabit ha reketteki atomlar düzenli

yapıdadırlar. Bastır ılma dur umunda sıvılardaki atomlar ve moleküller kristalin düzeni

gerçekleştirmek için gereken yeniden

düzenlenme ve yeniden yapılanma için yeterl i

zamanları yoktur. Donmuş katılarda atomlar

yavaşlamıştır , donmuş s ıvılar da düzensiz

yapılar halinde bulunurlar. Uzun soluklu düzen

kaybolmuştur.

Bu garip yapılar kendi güzell iklerine sahiptirler.

Soldaki resim bilgisayarla Behnam Vessal

tarafından oluşturulmuş cam sistemleri modelleridir. İlk görülen erimiş sil iko n dioksitindir, sonraki

Şekil 3 Sıvı argonda bir argon atomunun yörüngesi.

Şekil 4 SiO2 nin erimesinin simülasyonunda kıristalik yapıdan sıvı hale geçiş erime olurken gösterilmektedir.

Şekil 5 Silikat camlarının modelleri.

resim silikat camlarının modellerini göstermektedir. Bur ada metal iyonlarının s il ikat matrikste

homojen olarak dağıldığını görmekteyiz , bunun maddenin özell ikleri için çok derin sonuçları vardır.

YÜKSEK YAPILANMIŞ SIVILAR

Tüm sıvılarda kısa aralıkta atomlar, iyonlar veya moleküllerden

oluşan iyi tanımlanmış koordinasyon tabakaları görülmektedir.

Bazı sıvılarda bu düzenlenme ya moleküller arası görev yapan

güçlü kuvvetlerden dolayı yada moleküler şekilden dolayı özell ikle

artmış haldedir.

Öncekine örnek bizim çevremizdeki en fazla sıvı olan su verilebil ir .

Su molekülleri kuvvetl i hidrojen bağları oluştururlar. Bu bağda bir

molekülün pozitif yüklü hidrojen atomu diğerinin negatif yüklü

oksijen atomuna bağlanır. Bu hidrojen bağlanması su molekülü

çevresinde tetrahedral koordinasyonu destekler. Gerçekten bu gibi

yapılar buzun kompleks kristal kimyasının temelidir. Bu gibi çuğu

yapıdan biri solda gösterilmektedir. Bu yapılar buz erirken sıvıya

dönüşmeyi zorlaşmaktadır. Moleküler dinamik simülasyonu ile açığa

çıkarılan buzun erime noktası üzerindeyken su yapısı görülmektedir .

Sıvılarda hidrojen bağlı ağları, buzun yapısında çok açık kararlı

olan bağlar kısmi olarak çöker ve eriyen buzun yoğunluğundaki

dikkate değer artıştan sorumludur. Sıcaklık artarken hidrojen bağı

ağı daha kırılganlaşır, ama sıvının erime noktasında hala iş

görmektedirler.

Başka hidrojen bağlı s ıvılar sıvı amonyakta(NH 3) ve sıvı hidrojen

florürde(HF) kesin yapılarında görülmektedirler. Simülasyonda görülen yapılarında bu moleküllerin

kararlı doğrusal

sıralanmada hidrojen bağı

yapma eğil iminde oldukları

görülmektedir.

İkinci ve daha dikkate değer

sıvı yapıları sıvı

kristallerdir . Bunlar bir çok

‘küresel olmayan’

moleküllerden

oluşmuşlardır. Bunlar çok

uzun ve yatıktırlar. Önce uzun

moleküllere bakalım; molekül uzun olduğu kadar bükülmez ise her

biri diğerinin çevresinde hat halinde helezonlaşma eğil imindedir. Aşağıda şematik olarak

görülmektedir. Bu sıralanma yüzlerce veya daha fazla mole külü kapsayan geniş uzaklıklara

dağılmaktadır. Çubuk benzeri moleküllerin uzun eksenleri yönünde dikey düzenlenme elverişl i

olacaktır. Üstelik çubuğun düzlemine paralel yönde düzenlenme eğil imi çok düşük olacaktır. Ve bu

yönde sıvı kuvvetli şekilde düzensi zliği koruyacaktır. Biz öyle bir sisteme sahibiz ki düzen gösterme

eğiliminde ama bu eğil im sıvı kristallerde tüm yönlerde değil .

Şekil 6 Sıvı suyun yapısı.

Şekil 7 Buzun yapısı.

Şekil 8 Eriyen buz. Şekil 9 Sıvı hidrojen florit, HF.

KIRİSTAL ŞEKİLLERİ

Kırisyal yapılarının belki çok karakteristik özell iği kristalin

şeklinin veya morfolojis inin iyi tanımlanmış olmasıdır. Kristalin

morfolojisini ne belirler? Veya bunu ortaya koymak için başka

bir yol olarak, gerçek kristallerde hangi yüzeyler çok önemli

olur? Bu soruyu cevaplamak için birçok çaba sarf edilmiştir (ve

hala sürmektedir). Burada kısaca iki yaklaşıma bakacağız: i lki

yüzeylerin enerjis ini temel alır . Kristal yarıldığı zaman, bağlar

kırılırken oluşan yüzeyler aşır ı enerj i maliyeti doğurur, bu

enerjinin bir kısmı önceki bölümde bahsedildiği gibi kristal

yüzeyi gevşerken tekrar geri kazanıl ır . Yüzey yapılarını

modelleye bilmemiz için yüzey enerjilerini hesaplaya bilmemiz

gerekir. Yüksek enerji li yüzeyler enerji terimine daha fazla maliyet ekler, bunun düşük değerde

olması beklenir veya çevrime bir başka yolla eklenmesi beklenir, böylece gözlemlenen kristal

morfolojisinde düşük enerjili yüzeyler baskın olmalıdır. Bu f ikir nicel matematiksel sert katıların

ortaya konması ve kristal morfolojilerinin öngörülmesinde bize imkan tanımaktadır. Bir örnek solda

görülmektedir.

Alternatif (çoğunlukla daha gerçekçi) yaklaşım ‘bağlanma

enerjileri’ olarak isimlendirilen önceden oluşmuş bir yüzeye

atom tabakalarının eklenmesi ile düşen ener jilerin

belirlenmesidir. Bir yüzeye eklenecek atomların sayıs ı

artarken enerjinin de artmasını bekleriz. Ufak bir düşünce

gösterir ki bu yüzeylerin hızlı büyümesi sonuçtaki kristalin

morfoloj isi açısından önemli olmayacaktır, solda simetrik

olarak gösterildiği şekilde kristal büyürken diğer yüzeylerle

etkileşimdedir. Bu model gerçekten göstermektedir ki yüzeyin

genişlemesi bağlanma enerjisi ile tersine olarak il işkil idir.

Yine tekrar bağlanma enerjisi hesaplana bil ir ve teori nicel

hale getirilebil ir . Soldaki resim gerçek kuartzın yapısıyla

karşılaştırı labilecek şekilde kuartzın öngörülen morfoloj ik

yapısı sonucudur. Uyum seviyesi sevindiricidir.

Kristal büyümesi çok karışık bir kavramdır ve yukarıda

anlatılan iki yaklaşım, elde edilecek kristalin mümkün şeklinin

anlaşılmasında bize yardım edecek yaklaştırma bir kılavuzdur.

Bunun çalışması ve ilgil i prosesler çağdaş maddelerin bil imsel

araştırmalarında çok aktif bir alandır.

YÜZEYDEKİ MOLEKÜLLER VE KATALİZ

Moleküller yüzeye bağlanır çünkü onlar yüzey atomlarıyla etkileşirler. Bu etkileşimler zayıf olabil ir ,

molekülerle bağ yapmayan tipteki etkileşimlerde kendil iğinden yüzeye yapışma olur (veya absorbe

olur). Alternatif olarak yüzeye absorbe olmuş moleküllerin atomları i le yüzey arasında yeni kimyasal

bağları oluşumunu gerektirmektedir. Burada moleküllerdeki bağlanmaların yeniden düzenlenmesi

zorunludur, hidrojen (H 2) ve azot (N 2) gibi basit moleküller yüze ydeki bileşen atomlarına disosiasyon

olacaktır. Bu etkileşimin rea ktif tipi yüzeydeki moleküllerin zayıf reaktif olmayan bağlanmasını

tanımlamada kullanılan fizorpsiyon terimine karşın kemisorpsiyon olarak bilinir. Çok ilginç sorular

arasında absorpsiyon problemiyle karşı karşıya kalabil iriz. İlk olarak buna sorbe olan m oleküllerin

yapı ve enerjisiyle anlayabil iriz. İkinci olarak yüzeyde yakalanmış moleküller arasında ve içinde

oluşan reaksiyon çeşit leriyle anlatabilir iz. Üçüncüsü ve belkide en hafif sorulardan birisi maddelerin

özell iklerini yüzeyde sorbe olan moleküller le belirlenmesidir.

Son yıl larda yüzeydeki moleküllerin

özell iklerini belirlemek için çok sofist ike

deneysel teknikler geliştir ilmiştir . Zaten yeni

yüzey mikroskoplarını kul lanmaktayız. Bir çok

spektroskop ik metot difraksiyon tekniğine

sahip şekilde yüzey molekülleri üzerinde

çalış ılmasına uygun hale getir ilmiştir . Üstelik

bilgisayarlar, bu alanda müstesna araçlarla

görüntüleme yapmaktadırlar. Solda görünen

resim güncel ve önemli sistemler için

bilgisayar modellerinin örneğidir.

Üçüncü durumda difosfonat [C3H6(PO 4)2]

molekülünün baryum sülfat ( BaSO4) yüzeyine

nasıl bağlandığını göstermektedir. Etkileşim

modu özellikle ilginçti; difosfat (PO 4)

gurupları yüzeydeki sülfat (SO 4) guruplarıyla

yer değiştir irler ve materyalin yüzeyine

moleküllerin etkin kil itlenmesine izin verir.

İlginç şekilde molekül yağ endüstris inin temel

bir problemi olan yağ borularını t ıkayan

yüksek oranda çözünmez materyal olan

agregatların büyümesinde BaSO 4 inhibitör

olarak görev yapar. Kristallerin yüzeyindeki

difosfat örtüsü gibi inh ibitörler büyümeyi

önler ve büyük uygulama alanına sahiptir.

Burada gösterildiği gibi bilgisayar

hesaplamaları endüstriyel önemli proseslerin

yüzey kimyasının kalbindedir.

Molekül birkere yüzeye sorbe olduktan sonra

yeni kimyasal reaksiyon tiplerine mar uz

kalabil ir veya s ıvı ve gaz fazında çok zor yürüyen bir reaksiyon yüzeyde kolayca oluşabilir . Bu

olabil ir çünkü moleküller birbir ine daha yakın olurlar veya kemisorpsiyondaki birbirini izleyen

bağlanmada değişimin önemi olmalıdır. D iğer yönden yüzey kimyasal reaksiyonun katalizlenmesi

yönünden bir inci önceliğe sahiptir. Kataliz kimya ve biyokimyada anahtar bir prosestir . Katalizörler

diğer reaktanlar (kimyasal reaksiyonun başlangıç noktasında) veya ürünler (sonlanma noktasıda)

olmadan kimyasal reaksiyonu kolaylaştıran ajanlardır. Çalışma yolu solda genel olarak

gösterilmiştir .

Yeniden söyleyelim ki kimyasal reaksiyonlar

kendiliğinden ve hemen olmak yerine bir

enerji bariyeri ile engellenir ler, bu engel

reaktanlardan ürünlerin oluşması için

aşılmalıdır. Bu engel reaksiyona giren

moleküllerdeki bağların kırılması ve

ürünlerdeki yeni bağların oluşması ile

birl ikte gelir . Engelin yüksekliği genell ikle

kimyasal reaksiyon oranını kontrol eden

temel faktördür. Yüksek engel yavaş

reaksiyonu doğurur. Katalizörler bu engelin

yüksekliğini düşürürler. Bunlar

reaktanlarıın bağlarının kır ılmasına

yardımcı olurlar, farklı ama büyük oranda

eşit manalı tanımı reaksiyondaki ‘ara

halin’ kararlıl ığıdır, buradaki yüksek

enerjil i türler maksimum enerji engeline

karşılık gelir (buradaki iyi bir tanımlama

kısa ama belli bir yaşama ömrü olan,

kararsız kimyasal türlerdir). Metallerin ve

oksit lerin yüzeyleri zenginleşmeyi artırır

ve katalitik proseslerin çeşidini değiştirir ,

bunun ekonomik önemi kimya

endüstris indeki çoğu anahtar prosesin kötü

tahminle her yıl dünya çapında milyarlarca

dolarlık karına karşılık gelir . Burada

heterojen katalizden bahsedilir çünkü gaz

ve katı gibi iki faz arasındaki ara yüzde

gerçekleşen katalizdir ve tek bir fazda

gerçekleşen (gaz veya sıvı) homojen

katalizden farklıdır. Homojen katalizlerin endüstriyel önemi göz önüne getirilirse bu tip kataliz

yaşayan sistemlerin fonksiyonlarını sürdürmesi için zorunludur.

Bağ disosiyasyonu yüzeyde gerçekleşen katalizin enbasit i ama en etkin olanıdır. Burada iki örnek

göreceğiz. Hidrojenasyon (moleküle hidrojen atomları eklenmesi) geneldir ve endüstriyel önemi

büyüktür. Buna benzer çoğu reaksiyonda doymamış moleküllerdeki çift bağlara hidrojen eklenmesini

içerir. Bu iki atom arasındaki bağ ve hidrojenler arasında kuv vetli bağ vardır, eğer hidrojen

molekülü ve bir doymamış molekül birbir leriyle çarpışırlarsa çoğu zaman hidrojen molekülündeki

bağın kırılmasına izin verecek çarpışma için enerjis i yetersizdir. Buna rağmen molekül platin gibi bir

molekülün yüzeyine absorbe olursa hidrojen molekülü iki atoma parçalanır (disosiye olur) çünkü her

hidrojen atomu metal atomu yüzeyi i le yeni bağlar yaparlar. Bu yüzeydeki hidrojen atomları ş imdi

yüzey üzerine difüze olabilir ve soldaki şemada gösterildiği gibi doymamış moleküllere saldırır .

Belkide en basit örnek hidrojen ve oksijen arasındaki reaksiyon asl ında aldatıcıdır.

2H2 + O2 → 2H2O

Hidrojen ve oksijen gazları bir kavanozda

reaksiyon olmadan bir arada durabilir çünkü

yine hidrojen ve oksijen atomları kendi

aralarında kuvvetl i bağa sahiptir ve bunlar

saniyede milyarlarca kez birbirlerine çarparlar

ama yinede bunlar bağların kır ılması için gerekli

çarpışma enerjisi için yeterli değildir ( tabiî ki

normal çevre sıcaklığında). Buna karşın

kavanozumuza birkaç parça metalik platinyum

eklenirse karışım patlayacaktır ve yine hidrojen

ve oksijen molekülleri platinyumun yüzeyine

difüze olur ve sonra her bir i diğeri ile reaksiyona

girer.

Daha güncel bir örnek NO x giderilmesi

katalizidir. Azot oksit ler (özell ikle azot

monoksit) bir dizi kirleticilerdir ve araba

motorlarından ve güç istasyonlarından yanma sonucu oluşan korrozif gazlardır, asit oluştururlar.

Araba egzozlarından ve güç istasyonlarından atılan bu gazların giderilmesi için şuan ki çevrese l ve

ekonomik baskıyı karşılamada ucuz ve etkin bir yoldur. Paladyum ve platin gibi metaller bu

oksit lerin parçalanmasını katalizler ve anlaşılmaz mekanizmalar, gösterild iği gibi bilgisayar

hesaplamalarıyla ortaya konabilir . Şimdiki uğraşlar bu önemli reak siyon için ucuz, düşük s ıcaklıkta

ve daha etkin katalizörler tasarlamak üzerinedir.

Heterojen katalizin son bir örneği

kimya endüstrisinin gelişmesinde çok

büyük ve önemli reaksiyonlardan bir i

olan Ziegler-Natta polimerizasyon

reaksiyonudur. Bu yüzyılda ki kimya

endüstris iyle üretilen ilk ticari düşük

maliyetl i polimerin bizim yaşamımıza

önemli katkıları olmaktadır. Bir iyonik

bileşikten oluşan eteni polietilene

çeviren bu katalizde titanyum klorüre

magnezyum klorür eklenir ve moleküller

bağlanır. Bu moleküller katalizörün

aktif bölgelerini oluşturur. Aktif bölge

kavramı katalizör teoris inde önemli bir

rolü vardır. Yüzeydeki bölgenin sadece

çok küçük oranı katalit ik reaksiyonu

etkileyebil ir . Bunlar önce tartış ılmış

olan yüzey dengesizlikleri (kısımlar,

telsi yapılar, kusurlar) ile ilişkilidir

veya bu durumdaki gibi kimyasal

türlerin farklı tipleri bu bölgelerde

oluşmalıdır. Katalizörün içerdiği aktif

bölgelerin t ipi solda görülmektedir. Bu

gibi bölgelerin kararlıl ığı bilgisayar

çalışmalarında öngörüldüğü gibi

karşılaştırma yapıl ırsa t itanyuma klor

kadar karbonda bağlanmaktadır.

Etilen polimerizasyonu solda gösterilen

tipte genell ikle kompleks organo metalik

billeşikler olan homojen katalizörlerle

etkilenebilir . Yine etilen (veya başka

doymamış bir molekül) molekülünü

içeren mekanizma metal -karbon bağını

içerir.

Belkide heterojen katalizin çok ilginç sınıf ı zeolit lerdir. Gördüğümüz gibi bu maddeler ta mamen

yüzeye sahiptir, deliklerdeki metal iyonları ve iskeletlerindeki asidik bölgeler katalitik prosesin

büyük değişiminden sorumludur. Zeolit yapılarının delik geome tr ileri ve boyutsal boşlukları

katalizin seçiciliği yani ürünlerin çokluğundansa özel bir ürünün yüksek değerde oluşması için

gereken katalitik prosesi mümkün kıl mak için

etkindir. Düşük sıcakl ıklarda daha iyi kazanç

sağlanması kadar seçicil iğin artırılması d a

kataliz alanında ekonomik bas kıyı

karşılamaktadır. Yaşam için gerekli kimyasal

reaksiyonları kolaylaştıran enzimler katalitik

kimyanın gıpta ile baktığı bir alandır.

MOLEKÜLLER VE

MADDELERİN ARKA PLANI

Moleküller yüzeydeki atomlarla kimyasal

bağlanma oluşturduklarında onların kimyasal

yapısını değiştirmekle kalmaz yüzeydeki ve alt

tabakadaki kristalde de değişim yaparlar. Belki

çoğu ilginç etki maddelerin elektriksel

özell iklerinde ortaya çıkar. Moleküller yüzeye

absorbe olduklarında bunlar katının Şekil 49 SnO2

elektronlarını çekecek veya onu yüzeyde tutacaktır, bir diğer ifadeyle katının elektrik iletkenliğinde

bu görülecektir. Buna iyi bir örnek kalay oksit (S nO2) maddesiyle sağlanabilir , havayla madde

karşılaştığı zaman oksijen molekülleri katı yüzeyine absorbe edil ir . Oksijen molekülleri solda

gösterildiği gibi elektronları çeker (O - 2 iyonu yapar), maddenin elektriksel i letkenliği değişir .

Sanırım şimdi atmosferdeki metan gibi yanıcı gazla konuya başlamalıyız. Metan molekülü yüzeylere

absorbe edilebil ir , orada oksijenle hızlıca bir reaksiyon verir (onun yüzeyde yanmasından karbon

dioksit ve su oluşur). Katının yüzeyinde çekilebilecek olan oksijen molekülünd eki elektronlar geriye

döndürülebil ir ve iletkenlik geriye çevrile bil ir . Hemen görebilmekteyiz ki maddeye karşı bir voltaj

uygularsak akımı değiştiririz. Akımdaki bu hızl ı yanıt bu nedenlerden atmosferdeki yanıcı gazları

belirlemede kullanılabil ir ve kala y dioksit yanıcı gazlar için bir sensör olarak kullanıl ır . Toksik ve

yanıcı gazların belirlenmesi uygulamalı bil imlerin genişleyen bir alanıdır ve çevre ve güvenlik

konuları için artan şekilde önemli olmaktadırlar. Yüzey kimyası hareket belirlemede açıkça merkezi

rol oynamaktadır.

Ara yüzeyler

Bir önceki bölümde tartışılan tipteki yüzeyler

katı ve gazlar (veya mümkün olursa vakum)

arasındaki yüzeylerdir. Yüzeylerin diğer tipleri

iki katı, katı sıvı, sıvı sıvı ve sıvı gaz arasındaki

etkileşimler, doğada geniş bir aralıkta ve içinde

korozyon, kırılma ve kapiler hareketlerinin de

bulunduğu çalışmalarının çok farklı bilim

alanlarının bünyesinde bulunur. Bizim konumuz

olan atomik seviyede maddelerin anlaşılması ve

modern bilgisayar metotlarının ve rdiği

anlayışlarda bilgisayar metotlarıyla gelişt irilmiş

atomik skaladaki modeller için karmaşık ara

yüzey yapılarının üç örneğini aydınlatmak için

seçtik. İlki (SnO 2 ’nin alt ında görülen) katı ve sıvı arasındaki ara yüzeyin

örneğidir, katı ve s ıvı argon ar asındaki moleküler

dinamik s imülasyonu.

İkinci resim katı katı yüzeyini konu almaktadır,

şuan ki materyal bil iminin bir kaç alanında geniş

olarak kullanılmaktadır. Resim iki oksit minerali,

alüminyum oksit(Al 2O 3) ve seryum oksit(CeO 2)

arasındaki ara yüzeyin bilgisayarla geliştir ilmiş

modelini gösterir, bu otomobil egzozu katalizör

sistemlerinde CeO 2 ve Al 2O3 desteğini kullanımı

için önemli bir sistemdir. Model atomik seviyede bu

iki oksidin birbir ine yapıştırılmasındaki detayları

açığa çıkarır ve bu g ibi ara yüzlerdeki kararlı lığı

kontrol eden faktörleri anlamamıza izin verir. Son

örneğimiz bizi kataliz alanına geri götürür. Bu

katalizörlerin sınıflandırılmasında genişçe

kullanılan bir yüzeyde metal parçacıklarının

yapılarını konu alır . Resim silikon d ioksit in (SiO 2)

yüzeyinde metalik nikelin küçük parçacıklarının

yapısal hesaplamalarını göstermektedir.

Karşılaştırmanın yararı için bazı büyüklüklerdeki

‘serbest ’ nikel parçacıklarının yapılarını

Şekil 50 Argon kat--- sıvı

Şekil 51 Al2O3 ve CeO2

Şekil 52 SiO2 içinde Ni

görmekteyiz. Farklı lık dikkat çekicidir. Nikel parçacıkları yüzeye yerleştir ildiği zaman yüzey ıslaksa

parçacıkların dışa doğru yayıldığını göstermektedir. Parçacıkların yüzey yapılarındaki bu değişim

metalin katalitik aksiyonları için derin sonuçları olacaktır.

Buradaki birkaç resim modern bilgisayarların yardım ı ile yüksek derecede karmaşık atomik yapıların

modellerini detaylı şekilde inşa edebilir iz. Yüzey ve ara yüzey bilimi bilgisayar destekli f izik

bil iminin temel bileşenlerini sergilemektedir. Sonra iki yüzeyin birbirine çok yaklaştığı sistemlerin

büyüleyici s ınıfında oluşan ilişkili ama farklı yapıları gördük.

MEMBRANLAR VE FİLMLER

Suda bir sıvı deterjan damla haline gelir ve hızlıca yüzeyde ince bir film tabakası oluşturur.

Deterjanlar ve sabunlar polar ‘hidrofil ik gurup’ başları ile hidrokarbon zinciri (hidrofobik) içeren

özel moleküllerden yapılmışlardır. Su polar bir çözücüdür ve polar çözücülerde polar bit im noktaları

kendiliğinden bir araya topaklanır. Molekülün hidrofobik bit im noktala rı su ile temastan kurtulmak

için yukarı doğru çıkarlar, yüzeyde ince bir moleküler film tabakası oluşur.

Su yüzeyi hidrofobik moleküllerle temas ettiği için çok farklı davranır. Saf su yüksek yüzey geril imine

sahiptir, sanki bir şekle sahipmiş gibi davran ır (onun yüzeyine demirden bir iğne yerleştir ilse iğne

yüzey tarafından tutulacaktır fakat yüzmeyecektir, yüzeyin içine geçmeden ış ıldayacaktır). Bu yüksek

yüzey geril imi moleküller arası etkileşimin sonucudur, bu etkileşimlerin amacı mümkün olduğu kadar

s ıvı yüzeyini azaltmak yünündedir, çünkü moleküller yüzeyde oldukları zaman komşu moleküllerden

daha az çekime maruz kalırlar. Bundan dolayı saf suyun köpük oluşturmasını sağlayamayız , yüksek

yüzey geril imi onları hareketli halde tutacaktır. Fakat sabu nlu suda köpüklerinin oluşmasını sağlaya

bil iriz, çünkü yüzeyde bulunan sabun moleküllerinin fi lmi yüzey geril imini büyük oranda

düşürecektir. Hidrofobik moleküller su moleküllerinden daha az birbirleri i le etkileşimde bulunurlar.

Yüksek yüzey geril imli alanlar ile sabun benzer yapı formlarını kolayca oluşturabilirler. Bu sabun ve

deterjan molekülleri arasındaki moleküler kuvvetlerin büyüklüğüne bağlıdır ve bu su, sabun köpüğü

oluşturmamıza izin verir.

Bu iki şekilde sonlanma yapısına (amfil ik) sahip molekül lerin çözelti lerinde bir araya toplana

bileceklerdir, moleküllerin hidrofobik bileşenleri aynı noktaya; içe doğru hareket eder ve hidrofilik

kıs ımları dışa doğru hareket eder . Bu misellerin oluşması diğer molekülleri yakalanmasını sağlar

örneğin yağlar hidrofobiktir ve bunlar deterjanların fonksiyonlarında önemli rol oynarlar.

Hidrofobik etkileşimlerin diğer bir yolu çift tabaka oluşumuyla kendi liğinden ortaya çıkar,komşu

tabakalardaki amfil ik moleküllerin hidrofobik kıs ımları içe doğru yönlenir ama miselle rdeki gibi top

halinde yuvarlanmak yerine ardı ardına tabakalar haline gelirler. Bu gibi tabakaların çok önemli

olan kapsamı yaşayan maddelerde oluşmasıdır. Membranlar yaşayan organizmalar için hayati öneme

sahip yapılardır. Tüm karmaşık yaşam formlarında çok önemli yapısal varlıklar olan hücreler bir

birlerine kendi merkezlerindeki çekirdeklerde (tüm genetik materyalin içinde bulunduğu) olduğu gibi

membranlarla bağlanmışlardır. Bu membranlar zorunlu olarak çift tabakalıdırlar. Buradaki yapı taşı

amfilik mo leküler, l ipit ler olarak bil inirler. Membranlar yapısal rol oynadığı kadar onların içinden

geçen bazı moleküllere de izin verirler.

ÇÖZELTİLER

Erimede olduğu gibi çözünme prosesi de basitt ir . Önced en bildiğiniz katı kristalin durumunda suyla

kristal temas ettiği zaman kısa sürede gözle görülmez hale gelir . Kristal yapısı bozularak su içinde

dağılan atomlara dönüşür. Bu proses nasıl ve ne için olur? Ve atomlar çözünme sırasında nasıl

davranırlar? Çözünme ve çözelt ileri düşünmeye başlarken bunun pazıl oyununa benzediğini

söyleyebil iriz. Mesela tuz su içinde çözünür ama petrol içinde çözünmez, kafur da petrolde çözünür

ama suda çözünmez. Elmas ve silikon gibi kristaller ise herhangi bir sıvıda çözünmezl er katıların

çözünüp çözünmemesini kontrol eden şey nedir? Şimdi su içinde tuzun çözünmesine bakarsak şunu

yeniden söyleyebil iriz ; tuz ( sodyum klorür) basit bir kristal yapısına sahiptir ve bu yapıda pozitif

sodyum iyonları ve negatif klor iyonları muntaza man ist iflenmiş kristal bölgelerinde bulunurlar.

Kıristali parçalarken büyük miktarda enerji gerekir, veya iyonlar arasındaki etkileşim enerjisi

etkileşimlerin diğer formları ile karşılanır. Su içinde çözünme olduğunda ne olduğunu anlamamızda

sonraki anahtar nokta katıdaki iyonlar arasındaki etkileşimin çözelt ideki iyonların suda ve su

molekülleri arasındaki etkileşimle karşılanmasıdır. Su polar bir s ıvıdır, oksijen atomları negatif

yüklü iken hidrojen atomları pozitif yüke sahiptir. Sodyum iyonları sıvı su ya girdiğinde su

molekülleri onun etrafında kümelenir ve onun etrafında negatif oksijen atomundan sonra pozitif

sodyum atomu sıraya girer . Aynı şekilde su molekülleri klor iyonlarının çevresinde de guruplaşır ve

pozitif yüklü hidrojen atomları negatif yükl ü diğer atomlara doğru yönlenir ler. Çözelt ideki iyon -su

etkileşimi katıdaki iyon - iyon etkileşiminin yerini al ır . İyonlar kristaldeki partnerlerinden bu şekilde

ayrılabilir ler çünkü bunlar çoğunlukla çözelt ide kendisine uygun eşler bulabil irler. Bu davranı ş çok

geneldir. Yüksek çözünürlük; atomlar, iyonlar veya bu türdeki maddeler ile çözücü moleküller

arasındaki eşit etkileşimler yer değiştiren katı moleküllere ihtiyaç duyabilir (sıvı içinde çözünen katı

gibi). Normal olarak bu çözücüde çözünene katı için aynı enerji harcamasına denk gelir . Ama bu eğer

yeterinden küçükse onun etkis i katı ile çözelt i karşılaştırıldığında düzensizliğin arttığı yönde

ilerlediği görülebilir . Bu proses çözelt inin entropisiyle yürür.

Şimdi kimyanın eski bir ata sözünü öğreneceği z; ‘benzer benzeri çözer’ iyonlardan oluşan tuzlar gibi

katılar yüksek yüklü atomlar bulunduran su gibi polar çözücülerde çözünürler çünkü iyonlar ve

çözücü arasındaki elektriksel etkileşimler katılarda olanlarla yer değiştirmesi gerekir. Kafur gibi

moleküllerden inşa edilmiş kristallerde kuvvetler farklıdır ve moleküller kristalde zayıf wander Vaals

etkileşimleri i le birbir ine bağlanmıştır . Petrol gibi çözücülerde çözünene moleküller arasında bu

etkileşim öncelikli gelir . Katıdaki moleküller arasındaki etk ileşimler, moleküller ve çözücü

arasındaki ve petrolde çözünmüş kafur arasındaki bu etkileşimler uygun şekilde yer değiştirebil ir .

Sıvılarda gördüğümüz gibi düzensizlik çözelt i yapısının büyük veya küçük derecelerine bağlıdır.

Gerçekte bu özellik tartıştığımız çözelt ideki sodyum ve klor iyonlarının yapısında görülebil ir .

Çözeltideki iyonların yapısı da iyi tanımlanmış olmalıdır. Mesela demir ve nikel metalik

elementlerinde su iyonlarının metal çevresini saran iyi tanımlanmış oktahedrona sahiptir. Bu gibi

h idrat iyonları katılarda da bulunabil ir (gerçekten bakır sülfat gibi katılar kristal yapıda

atmosferden su çekmiş haldedirler). Bunlar metal iyonu ve küçük moleküllerden oluşan kompleks

iyon olarak bil inen kimyasal türlerin s ınıfına girmektedir. Şimdiye ka darki tartışmalarımızın

çoğunda çözücü olarak suyu kullandık. Su tabiî ki bizim dünyamızın yüzeyini kaplayan en yaygın

sıvıdır. Ve su polar katılar için mükemmel bir çözücüdür. Polar katılar sadece sodyum ve klor gibi

iyonlardan oluşmazlar üstelik OH ve CO gibi guruplarla da oluşurlar. Şekerde ise glikoz ve sukroz

molekülleri suda çözünür çünkü molekülün OH gurubu su molekülleri ile kuvvetli etkileşime

girebil irler. Tabiki burada temel rolü hidrojen bağı etkileşimleri üstlenir. Gerçekten moleküller ve

moleküllerin parçaları (atom gurupları) polar guruplar içerip içermediklerine göre hidrofobik (suyu

sevmeyen) ve hidrofil ik (suyu seven) olarak s ınıflandırıla bilir . Bu durumun sınırlarını belirleyen

molekül veya gurupların boyutu sulu çevrede bunların davranış larını kuvvetli şekilde etkiler. Bu

kapsamdaki önemli bir molekül sınıf ı hidrofobik ve hidrofil ik uçların her ikis ini de içerir. Bu

özell ikleri onların kullanım alanlarını gözle görülür derecede artır ır . Davranışın büyük önem taşıdığı

durumlarda biyolojik moleküllere uyum sağlamada özell ikle proteinlerin şekil ve fonksiyonları için

molekülün farklı kısımlarının bağıl hidrofobik olmasıyla büyük oranda kontrol edilir .

KATI ÇÖZELTİLERİ

Normal olarak bakır ve s ilikon benzeri katıları çözelti oluştura bilecekleri şekilde (çözünebilme

manasında) düşünmeyiz. Çünkü bunlar genelde sıvılardakine benzeyen şekilde katılarda

çözünebil irler (gerçi kuvvetli asitler demir gibi metalleri çözebilir ama bu bir kimyasal reaksi yonu

gerektirir). Unutmayın katıların çözünmesindeki gibi katı -katı çözeltilerinde atomun veya moleküller

arasındaki etkileşimler çözeltide bunları karşılayabilecek olanlarla yer değiştirir ve bunlar normal

sıcaklıktaki su gibi basit bir işlem değildir. At omlar veya moleküller demir veya sil ikonla başarılı

şekilde etkileşirler (kimyasal reaksiyon olmaksızın) .

Katı çözeltileri oluşturan katıların diğer katılar içinde çözünmesi mümkündür. Bakır çinko içinde

çözünerek pirinç olarak bilinene alaşımı oluşturur (basitçe bir metalin diğeri içinde çözeltis idir).

Çoğu alaşımda olduğu gibi pirinçte de kristalin yapı hakimdir. Burada metal bölgeleri sıralı çinko ve

bakır atomlarının yer aldığı hücrelere sahiptir. Alaşımın oluşumu kurşun -kalay ve demir-bakır

alaşımları gibi çok geneldir. Bir metal diğerinin içinde çok küçük miktarda çözünürken onun fiziksel

ve kimyasal özell iklerinde çok kuvvetli etkiye neden olabil irler, paslanmaz çelikte küçük miktarda

krom demir içinde çözünürken paslanma hızını gözle görülür dereced e düşürür (paslanma metallerin

havadaki oksijenle metal oksit oluşturmasıdır). Bronzda ise bakır içinde demir alaşımı çok sert düşük

kırılganlıkta maddeleri oluşturur.

Katı çözelt iler yaygındır. Gördüğümüz gibi si likon herhangi bir sıvıda çözünmez ama ger manyum

içinde çözünür. Çinko içinde bakırın çözünmesine benzer şekilde, benzer kıristal yapılarındadırlar.

Bu katılara alaşımlara baktığımız açıdan yeniden bakarsak küçük miktarda katının diğeri içinde

çözünmesi materyalin özelliklerinin değiştiri lmesinde hayati önemde bir yoldur. Ve bu maddeler

çağdaş teknolojide inanılmaz boyutta kullanılmaktadır. Klasik örnek yarı i letken sil ikonlarıdır;

fosforun milyarda bir miktarının silikon içinde çözünmesiyle onun elektrik i letkenliğinde şiddetl i

etkilere yol açar.(bu n-t ipi olarak bilinene yarı i letken maddelerinin yapımıdır). Yine benzer

miktarda arsenik eşit derecede büyük etkilere yol açar ama farklı elektriksel karakter oluşturur (p -

tipi yarı iletkeni oluşturur). Bu iki materyal bir noktada birbirine temas ettir i ldiğinde doğrultma

işlevine sahip olan p/n temas noktasını oluşturur. Bu noktada akım sadece bir yönde i lerler ve bu

elektrik devreleri için hayati bir özelliktir . Bilerek eklenen safsızlıkların çok az miktarları ile sil ikon

modern elektronik devrimin tem elinde olan teknolojinin ham maddesini oluşturur.

HAREKET HALİNDEKİ ATOMLAR

Modeller göstermiştir ki atomların ve moleküllerin donmuş

statik yapılardan oluşan mikroskobik dünyadan oluştuğunu

düşünmüşüzdür. Gerçek çok farklıdır. Atomlar ve moleküll er

düşük sıcaklık durumunda sabit hareketleri vardır ve madde

mikroskobik seviyelerde çok dinamiktir. Moleküller sabit olarak

döner ve titreşir ; bunlar (tümüyle) gazlar ve s ıvılara çevrilirler .

Bunların yaptığı hareketler katılarda çok daha yavaştır.

Şimdi moleküler hareketlerin genel yapılarına bakalım. Şunu

anlarız ki bilgisayarla hızlandırılmış hareketler bile bunu

anlamamıza yetmez. En basit hareket çevrilmedir.

Moleküllerin düşük yoğunluklu olarak bulunduğu gazlarda

moleküler hareketler dikkat çeke cek eğerde hızl ıdır.

Örneğin; çevresel şartlar altında haz halindeki bir

hidro jen molekülü ortalama 6.940 km/s i le hareket eder.

Tabiî ki sürekli diğer hidrojen molekülleri ve kabın

duvarları ile çarpışır .(ve sonraki çarpışmalarında kabın

duvarlarına gaz tarafından uygulanan basıncın artmasına

neden olur). Sıcaklık artarken moleküller daha fazla enerji

kazanır, 1000 santigrat derecede ortalama bizim hidrojen

molekülümüz 14.343 km/s ‘te hareket eder. Bu daha

enerjik olan moleküllerin çarpışmasıyla basınç dah a yüksek

değerlere karşıl ık gelecektir .

Yüksek yoğunluklu sıvılarda moleküler hareketler daha

yavaştır. Fakat moleküller sıvılarda sabit olarak hare ket

ederler; bunlar komşuları tarafından iti lip çekilirler.

Soldaki örnekte s ıvı su içindeki bir su molekülünün

saniyenin on bin milyonunda birindeki(10 - 1 0 sn) yörüngesi

görülmektedir. Biz sadece bu zaman skalasında nasıl

olabileceğini görmekteyiz , moleküler seviyede daha fazlası

olabil ir .

Katılardaki moleküller çoğunlukla özel bölgelerde

hapsedilmiştirler. K atılarda difüzyon bunun için yavaştır ve

genell ikle katılarda itişmelere sebep veren boşluklar veya eksiklikler gerekir. Örneğin bir atom veya

molekül s ıralı konumundan eksilirse ko mşu molekül o bölgede difüzyonun oluşmasına izin verecek

şekilde oraya atlar. Bu gibi prosesler içinde k orozyonun da bulunduğu katı hal reaksiyonlarında

anahtar rol oynarlar. Üstelik bunlar katıların önemli ve bir üst sınıfı olan katı fazda yer alan hızl ı

atomik migrasyon içinde yer alırlar. Gerçekten ‘hızlı iyon iletkenlerinin’ önemli bir sınıfı katılardaki

Şekil 54 H2O

Şekil 53 Bu resim peptit hormonundaki oksitosini göstermektedir.

Şekil 55 Li+

hızlarda hareket eder. Sıvılarda bunun görülme s i normaldir. Bilgisayar simülasyonu ile şekilde bir

iletken polimerde lityum iyonunun difüzyon yolu görülmektedir. 10 - 1 0 ışıma süresinde iyonların biri

çok farklı bölgeler arasın da hareket etmektedir(şekilde pembe ile gösterilmiş).

Gazlarda ve sıvılardaki moleküller onlar hareket ederken

sabit olarak dönerler. Oksijen(O 2) ve azot(N2) molekülleri

çevre şartlarında saniyede 10 1 0 kez civarında döneceklerdir.

Moleküller arasındaki b üyük etkileşim tabiî ki sıvı içinde

onların aktarımı kadar dönme hızlarını da düşürecektir.

Daha kompleks moleküller molekül çevrilmelerinin yalnızca

bir kısmı olan (veya gurup) iç çevrilmeler gösterirler.

Bu çevrilmeler genellikle engellenmiştir . Gurubun çevrilmesi

molekülün diğer kısımları i le etkileştiği için yasaklanmıştır .

Üçüncü olarak moleküller yayın t itreşmesine benzer

şekilde top gibi titreşirler. Bu şekilde oksijen molekülündeki

oksijen atomu saniyede 10 1 4 kez t itreşir(burada bağ kısalır ve uzar). Daha fazla

sayıda atomların bulunduğu kompleks moleküllerde titreşimin yapısı daha

komplekstir . Titreşimin frekansı atomda görev yapan kuvvetlere bağlıdır ve sabitt ir ,sıcaklıkla

değişmez. Bununla beraber yüksek sıcaklıkta atom daha fazla sıcaklığa sahipken, bunun genliği

artar, buda bağın daralıp genleşmesinin miktarını artmasıdır.

Katılarda atom ve moleküller titreşir. Gerçekten katılarda kıs ıtl ı çevre içinde çevrilme ve dönme

genell ikle mümkün değildir, sadece bu hareket tipi mümkündür. Yine t itreşimin genliği sıcaklıkla

artar. Bilgisayar simülasyonunda erime noktasındaki kapalı buzda titreşim hareketleri

görülmektedir.

Atomik seviyedeki maddelerin dinamiğinin, atomik hareketlerin çalışmaları f izikokimyanın çok geniş

araştırma alanıdır ve burad a gördüğümüz gibi bilgisayarlar bu alanda aşırı büyük rol

oynamaktadırlar. Diğer bölümde bunun nasıl olduğunu ve f izik ile kimyanın diğer alanlarını ,

bilgisayarın bir araç olarak büyüyen gücünü açıklayacağız .

MOLEKÜLLER VE BİLGİSAYARLAR

Çağdaş bilgi sayarların eşsiz model inşa

etme gücüne vurgu yapacağız. Atomlar ve

moleküllerin davranışları hakkında bilgi

edinirken bunu nasıl mükemmel şekilde

kullana bilir iz? İki geniş stratej i çağdaş

bil imi mevcut kı lmaktadır. Öncelikle

moleküldeki elektronların dağıl ımı ve

ener j iler hakkındaki detayları öğrenmek

için Shrödinger eşitl iğinin çözümüne

çalışmalıyız ve değişen geometriler için

molekül enerjilerini hesaplayarak en

düşük enerjili yapıyı öngörebilir iz.

Unutmayalım ki Schrödinger eşitliği tam

olarak sadece hidrojen atomları için

çözülebilmektedir ( ve diğer tek elektronlu

atom lar için) , daha karmaşık sisteler için

eşitl iğin çözümü yaklaştırma metotlarını

geniş bir aralıkta kullanır. Bunun iyi yanı

büyük ve kompleks moleküller için yüksek

doğrulukta öngörü yapabilmemizi mümkün

kılmasıdır.

Şekil 56 Buz erirken.

Şekil 57 Kafein molekülünün elektron yoğunluğu.

Doğada oluşmuş olan kafein molekülü ve

alttaki resimde gösterilen MgSiO 3 minerali

için hesaplamaların yoğunluğu

görülmektedir. Her iki durumda bilgisayar

moleküllerin veya maddelerin özell iklerini

belirleyen elektronların dağıl ımını detaylı

şekilde anlaşılmasına izin verir.

Gerçekten kafein moleküllerinin ve MgSiO 3

gibi kristallerin yapılan hesaplamaları

doğal moleküllerin ve dünyayı oluşturan

maddelerin davranışlarını anlamamızda

artan şekilde önemli rol oynamaktadır.

Bu metotlarla çok sayıda bilgi kazancı

sağlamamıza neden olur. Bunlar bize

moleküller atomlardan oluşurken kimyasal

bağlanmanın kalbinde yer alan, daha önce

gördüğümüz proseslerde elektron

yoğunluğunun nasıl yeniden dağıldığını

anlamamıza izin verir. Buna ek olarak

elektron yoğunluğunun bil inmesiyle

moleküllerin çevresindeki elektrostatik

potansiyel enerj iyi hesaplaya bil iriz. Bu

sonuçlar molekülün çevrelendiği diğer

moleküller ile etkileşimlerinin yollarını

kontrol eden önemli değerlerdir. Soldaki

resim su moleküllüleri(solda) içinde

metanol(sağda) molekülünün planlanan

elektrostatik potansiyelini göstermektedir.

Bilgisayar güçlerinin büyümesiyle

moleküldeki elektron dağlımı

hesaplamaları, moleküler yapılar ı ve

özell ikleri artan şekilde kompleks ve katı

moleküllere kadar uzanacaktır. Bu büyüme

ile daha sofistike bilgisayarlar bu gün ve

görülebilir gelecekte mümkündür. Bu gibi

metotlar çalışan sistem lerin büyüklüğü ile hızlıca

artan bilgisayarların güç ve haf ızalarıyla

sınırlanır. Ama yüksek derecedeki kompleks

moleküller veya maddelerden gelen problemlerin

çoğu için kimya ve f iziğin eski kavramlarını temel

alan ‘atomlar arası potansiyel ’ olarak bil inene

alternatif basit prosedürleri kullana bil iriz.

Soldaki d iyagramı referans alarak atom

çiftlerinin enerjilerinin bir birlerine

uzaklıklarına bağlı olarak nasıl değiştiğini

göstermektedir (daha doğrusu çekirdekler arası

uzaklık miktarıyla) . İki atom birbirlerine

yaklaştıklarında onların çekirdekleri ve çekirdek

elektronları bir birlerini iteceklerdir. Bu yüzden

enerji diyagramda görüldüğü gibi hızla

artacaktır. Tersi durumda ise atomlar bir

birlerinden uzaklaştıklarında ise her biri diğerini

çekecektir, bu şekilde kimyasal bağlanma veya

zayıf , bağ yapmayan etkileş im durumu ortaya

çıkar. Uzaklıkla enerjinin değişimi bu yüzden

Şekil 58 MgSiO3 ‘in elektron yoğunluğu.

Şekil 3 H2O ve CH3OH hakkındaki elektrostatik potansiyel.

Şekil 4 Atomlar arası potansiyelin şematik gösterimi. İki atomun ayrılması x yönünde gösterilmekte, atom çiftinin potansiyel enerjisi y yönünde yer almakta.

Ener

ji (E

)

Moleküller arası uzaklık

diyagramda görüldüğü gibi bir minimuma

sahip olması beklenir.

Son ell i ve sonraki yıllarda bil im insanları

çok değişik atom çiftleri için bu gibi

atomlar arası potansiyel değerlerini

detayl ı şekilde elde etmektedirler. Bundan

sonrasında bu kavram başka daha fazla

sayıda atom içeren türlere de

genişletilebil ir . Enerjinin nasıl değiştiğini

sadece iki atoma değil üç, dört veya daha

fazla atomun bağı pozisyonlarına bakarak

belirleyebilir iz (gerç i bunu diyagramsal

olarak izlemek çok zor olacaktır). Bu

bilginin elde edildiği kaynak öncelikle

deneylerdir. Moleküllerin ve atomların

büyük topluluklarının özell ikleri atomların

etkileşimindeki yollara bağlıdır ve deneysel

bilgi atomlar arası potansiyeli elde etmede kullanılırken bunun terside kullanılabilir . Yukarıda

anlatılan t ipte direkt hesaplama, tartışt ığımız gibi atomların etkileşimindeki yollarda verilen bilgi

giderek daha fazla artmaktadır. Bu yüzden atomlar arası potansiyel bilgis i giderek daha güvenil ir

olmaktadır.

İyi doğruluktaki atomlar arası potansiyellerin

temel bilgileri atomik seviyedeki maddelerin

bilgi havuzunu zenginleştirmektedir.

Bilgisayarlar la hesaplanan moleküller ve

maddelerin davranışları, bu bilgileri alarak

elde edilen maddelerin yapısıyla fevkalade

şekilde uyuşmaktadır. Doğanın temel

prensiplerini kullanarak basit ve çok ekonomik

ama kuvvetli prosedürle ; sistemlerin bu tepe

noktası enerjis i altında çalışmasıdır.

Geliştiri len sistemlerdeki yönleri kontrol eden

daha detaylı faktörleri tartışacağız. Fakat

molekülleri veya katılarını öngörmek istersek

atomların en düşük enerjil i düzenlenmeleri için

araştırma yapmak doğru prosedürdür.

Bu basit yaklaşım çoğunlukla enerji

minimizasyonunu tercih eder ( veya moleküler

mekanik teknikleri moleküller için özel olarak

kullanıl ır), bu solda diyagram sal olarak

gösterilmiştir . Tabiî ki tartışmamıza

moleküllerimiz için bir yapı öngörerek

başlamalıyız. Başlangıç noktamız ‘S’ olsun, bu

noktanın tanımlanmasının nasıl yapılacağını

sonra göreceğiz . Ama bir kere atomların

konfigürasyonlarını tanımladığımız zaman,

prosedür basitt ir . Atomlar moleküllerin

oluşumunda enerjilerini aşağı düşürecek yollarda

simetrik olarak hareket ettiril irler. Uygulamada

bu ‘minimizasyon’ bazı atomlar ve ya tümünün

küçük yer değişmelerini içeren hareket aralıkları

veya yeniden yerleştirmelerle sağlanır. Sistemin enerjisi

atomik uzaklıkların yönü ve büyüklüklerinin öngördüğü

Şekil 59 Peptit molekülünün konformasyonunda enerji minimizasyonu ve bunun etkisi.

Şekil 60 benzenin kıristal yapısının hesaplanan yapı ile uyuşumu.

Şekil 61 Şema moleküler mekanik zaman adımlarını göstermektedir.

yerde her atomdaki kuvvetlerden çıkarılan potansiyellerin toplam bilgisinden hesaplanır. Hesaplam a

sonucunda bir minimuma ulaşıldığı zaman, bu nokta en düşük enerjili noktayı gösterir( soldaki M’ye

benzer bir nokta) ve bu noktanın dışındaki herhangi bir yerde enerji artacaktır.

Bu basit ama kuvvetli metot gözle görülür şekilde iyi çalışır . Solda başarıl ı şekilde enerji

minimizasyonu sağlanmış olan peptitler ve kristal yapılarının yörüngelerini görmekteyiz. Her iki

durumda enerjis i minimize olmuş yapı gerçeğin en doğru modelidir ve her başlama noktası sonuçtaki

minimumdan uzaktadır.

Enerji minimizasyonu bilgisayar destekli

kimyanın şimdilerde standartlarından

biridir. Tabiî ki bu tekniğin sınırları

vardır. Kavramın temelinden gelen büyük

sınırlamalar vardır. Enerji minimizasyonu

moleküllerin yada kristallerin yapılarını

öngörmede çoğunlukla iyi bir yol

göstericidir. Ama termodinamik bil imi bize

atomik seviyedeki maddelerin

kararlı lığının detaylandırılmış teorisinde

görülebilecek değerde diğer faktörlerin

olduğunu söyler. İkinci sınırlama saf

olarak maddelerin ‘durgun halde’ kabul

edilmesinden gelir . Atomların sabit

hareket ettikleri hesaplara katılmaz, ama

moleküllerin dinamik davranışları onların

yapı ve kararlıl ıklarını etkiler. Burada

sıralanan çok önemli olabilecek olan

birkaç pratik sınırlama yüzey enerji şematiği üzerinde gösterilmiştir . ‘S’ n oktasından başlayan enerji

minimizasyonu ‘ML’ noktasında sonlanır. Bunun sonlanma noktası minimuma denk gelir , fakat bu en

düşük değer değildir. Eğer biraz tepe üzerinden dönersek ve B bariyeri üzerinden geçersek en düşük

minimum olan ‘M’ye varırız. Minimum ‘ML’ bölgesel minimum olarak bil inir ve bu minimum

çevrelediği vadide herhangi bir noktadan başlayan hesaplama yine bu noktada son bulacaktır.

Biyolojik sistemler gibi karmaşık moleküller veya katılarda yüzlerce bölgesel minimum olacaktır. En

düşük enerjinin veya global minimumun bulunması artan şekilde zor hale gelecektir. Çoğu farklı

başlangıç noktası denenmiştir ve bunları global minimumda olacağı garanti değildir. Minimizasyon

bu yüzden bilgisayar destekli bi limde geniş olarak kullanıl ır ve atomik seviye deki maddelerle yapılan

çalışmanın bilgisayar ilk safhasını oluşturur.

Kurnazlığın sonraki safhasında minimizasyon

hesaplamalarının temel eksikliklerinden birini

tedavi ederiz. Bu atomik seviyedeki maddelerin

dinamik doğalarını göstererek olur. Moleküle r

dinamik tekniğinin kavramsal temeli yine

basittir . Sistemde moleküller , molekül kümeleri

veya kristaller simüle edilebilir . Sadece tüm

atomların pozisyonlarını değil onların

hızlarını, düşünülen sıcaklıkta seçerek hedefleri

belirleyebilir iz. Sonra tüm atomlarda görev

yapan kuvvetlere bağlı katsayıların gelişt iği

sistemlere izin verir iz (bunlar atomlar arası

potansiyel kullanılarak hesaplanır). Normal

olarak klasik mekanik Newton’un ilk olarak formüle

ettiği hareket eşitl iklerinin atomlar dinamiğine

uygulanmasıdır. Bu klasik yaklaşım spriz şekilde bütün ama hafif ato mlar için iyi çalışır ve daha

sofist ike ‘kuantum metotları’ (mesela hidrojen atomlarının modellemesindeki gibi) da mümkündür.

Şekil 62 moleküler dinamik yoluyla oksitosin hormonunun için hesaplanan yörünge.

M__L

M

S

B

L

Molekülün potansiyel enerjisi

Şimdi simülasyon içindeki detaylara daha çok bakarsak buradaki çoğu yöntem film çekimine benzer.

Bunlar bir birine yakın anlık kareler gibidirler. Bu kareler birlikte hareket ettirildiklerinde sonuç

solda görüldüğü gibi dört atom vardır ve her bir inin hızı ve yeri birinci karede yer alır .

İkinci kareye küçük miktarda zamanı ilerleterek ulaşa bilir iz.(∆t) Atomların ne kadar ivmeli hareket

ettiğini bil irsek ileri doğru çalışt ırdığımızda yeni karede neler olduğunu kestirerek atomları yeni

yerlerine yerleştir iriz. Onların zamana göre hızl arının yardımıyla bunu kolayca yapabi lir iz. Ve

atomlarda görev alan kuvvetleri bil irsek atomlar arası potansiyel bilgimizden bunu çalışt ırabil iriz.

Ve eğer kuvveti bil irsek Newton’un ünlü kanunu bize şunu söyler; ivmeyi hesaplaya bilirsek zamanla

hızın nasıl değiştiğini görürüz yani yeni kare deki yeni hızı hesaplaya bil iriz. Sonra yeni kareye

ilerlediğimizde bir sonrakine ve ondan da bir sonrakine sürer. Sonunda karelerin binlercesi s istemin

dinamik bir kaydını oluşturmakta kullanıl ır .

Zaman adımlarının seçimi (∆t) tabiî ki önemlidir. Eğer çok uzun olursa eski sitil titrek bir f ilme

benzeyen bir s imülasyon elde ederiz . Zaman adımlarının seçimi için tercih edilen kriter fi lmlerdeki

kareler arası hızlandırma seçiminde kullanılana çok benzer. Bu sistemdeki her hangi önemli prosesin

zamanı ile karşılaştırılmalıdır. Fil imde bu bir topa tekme atma veya patlama veya bir silahın

patlama zamanıdır. Moleküler dünyada bu titreşim veya çevrilme ile al ınan zamandır. Bir topa

vurulmada alınan zaman saniyelerle ölçülebilir . Ve kareler arası zaman saniyenin b inde bir idir.

Moleküller için farklı farklı zaman skalası al ınır. Bunlarda titreşim veya dönme milyon kere milyonda

bir saniye periyodundadır(10 - 1 2) . Buradaki zaman adımları bundan yüz kere daha az olmalıdır(10 -

1 5) . Eğer bir milyon zaman karesi almışsak ( şuan ki hesaplama değerleri sınırında), bin milyon

saniyede bir olan (10 - 9) s istem simülasyonunun nasıl olduğunu izleyebil iriz. Bu periyot sırasında

moleküllerde ve maddelerde birçok şey olabil ir . Solda iki tipik yörünge göstermekteyiz, i lki biyolojik

molekül olan oksitosinden elde edilmiştir . İkincisi yüksek s ıcaklıkta bir katı elektrotta hareket eden

iyonun yörüngesini göstermektedir. Göç eden

iyonlar elektrik yükü taşır ve bu madde iyi bir

elektrik iletkenidir. Bu olgu avantajlı bataryaların

kullanımında ilgi uyandırmıştır .

Moleküler dinamik bilgisayar destekli kimya, f izi k

ve biyokimya için fevkalade üretken teknikleri

ortaya koyar. Metot proteinler, ilaçlar, endüstriyel

polimerler, kompleks kristaller , katılar ve sıvıların

büyük bir kısmı için sistemlerin büyük değişimini

sağlamıştır . Simülasyonlar simüle edilen sistemin

yapı ve dinamiğindeki zengin aralıkta bilgiyi elde

etmede kullanıl ır . Gerçekten moleküler dinamik

deneysel olarak yapılamayacak seviyedeki

maddelerin davranışlarının detaylı bilgilerini

sağlayarak bir ‘moleküler mikroskop’ olarak tercih

edilir . Yine bu metot da sınırl ıdır. Bunu zaman

skalasındaki güçlü modern bilgisayarların

kullanılmasıyla 10 - 9 saniyede bir s imülasyon zamanına sahip

olduğumuzu belirtirken tartışmıştık. Proseslerle ilgilendiğimiz

zaman artmaktadır. Ve yine bu zaman atomik zaman skalası söz

konusu olduğunda uzundur. İki tipik örnek polimerlerdeki

gevşeme ve yeniden düzenlenme prosesiyle i lgilidir. Bu zaman

sistemi dinamiğinde önemli bir etki sarf eder ve saniyenin 10 -

1 2 ’de bir aralığında zaman skalasına sahip olmalıdır. İkinci

olarak katılardaki difüzyon (solda görüldüğü gibi bazı

durumlarda bağıl olarak hızlandırılırlar) normal olarak yavaştır.

Katılarda farklı bölgeler arasında bulunan atom bantları

bulunur. Simüle edilen bir kaç sistem büyüklüğü için her ha ngi bir

atlama bir moleküler din amik s imülasyonunun zaman skalası üzerinde yer alacaktır.

Korozyon benzeri fenomenler katılardaki yavaş difüzyon proseslerine bağlıdır. Bu konuda bu teknikle

elveriş li bir araştırma yapılamaz. Basit metotlara geri dönersek enerji minimizayonu tekniğine

Şekil 63 Sıvı suyun simülasyonundan bir anlık kare .

Şekil 64 İletken polimer içerisinde lityum iyonunun moleküler dinamik yörüngesi.

benzer ama bunda sistemde ölçülen atomik dinamikler için etkin olan iki bölge arasında hareket

ediyormuş gibi göç eden atomların enerjilerindeki değişimi grafiğe geçirebil iriz. İlişkil i ama farklı

bir nokta, s imüle edilen sistemin büyüklüğü ile ilgil idir. En basit statik gözlemleme şunu

göstermiştir ; simülasyonda bulunan çok sayıda atom gözlemlene bilecek olan olayların olasılığını da

artır ır (yukarıda tartışı ldığı gibi bölgeler arasında atomlar s ıçrama yapar). Modern s imülasyonlar

binlerce atomu göz önüne al ır . (gerçi atomların milyonlarcasını hesaba eklemek artan şekilde yaygın

hale gelmektedir) . Simüle edilen katılarda, sınırsız üç boyutta uzanan yapılarda zekice bir strateji

kullanıl ır . Simüle edilen atom gurupları (hücre veya kutu simülasyonu olarak terci h edilir) solda

gösterildiği gibi (iki boyutta) sınır noktasında kendi görüntüsüyle çevrelenmiş gibi kabul edilir .

Parçacıkların s ınırl ı gurubu sınırsız bir sistemde bu yüzden gösterile bilmektedir. Kristallerin

periyodikliği durumunda bu prosedür tüm kutu ların aynı içerikte olmasını zorlar. Gerçekle

karşılaştırı ldığında atomik seviyedeki kristallerin belirlenen özellikleri atomların periyodikliğinin

düzenlendiği şekildedir. Sıvılar ve gazlar için bu periyodiklik sanatsaldır.

Diğer bilgisayar temell i metot lar sonraki uygun noktalarda tartışı lacaktır. Umarız yukarıdaki

tartışmalar atomik seviyedeki maddeler için inşa edilen modellerde eşsiz avantajları olan

bilgisayarların nasıl kullanıldığını göstermiştir . Maddelerin bilgisayar temell i çalışmalarının

yürütüldüğü alanın ufku son yıllarda hızla genişlemektedir. Donanım ve yazıl ımlardaki gelişmeler

konunun bu şekilde spektral büyümesinde rol oynamaktadır. Mikroskobik seviyede bilgisayarların

model inşa etme gücüne yoğunlaştık. Onların eşsiz kabil iyetleri mühend isl ik, global ve ekonomik

sistemlerin modellerini kullanabil ir . Atomların ve moleküllerin çok büyük sayılarının özell ikleri ve

davranışlarını keşfederek atomik seviyedeki maddeleri anlayış ımız genişlemektedir.

MOLEKÜLER

DEVRİM NOKTALARI

Rus bil im adamı Mendeliev atomik kütleyi

temel alan tablosal bir sınıflandırma

yapmıştır . Buradaki elementler yatay

periyotlara yerleştirilmiş ve her periyotta

sekiz element içerir. Şu bulunmuştur ki

sınıflandırmadaki yatay ko lonlar yada

guruplar büyük benzerlikler ve özelliklerinde

eğilimler vardır. Mendeliyev’ in muhteşem

sınıflandırma hayal gücü ile oluşturduğu

formülasyon sonradan geliştir il ip çağdaş

kimyanın köşe taşlarından biri olan bugünkü

haline gelmeden önce çelişkiler ve boşluklar

içermekteydi .

Rutherfor’un öğrencileri Geiger ve Marsden

radyoaktif bir kaynaktan gelen parçacık

demetiyle ince altın folyoyu bombardıman

etmişlerdir, saçılan parçacıklar f lüoresans

ekranıyla belirlenmiştir . Solda şematik olarak

gösterildiği gibi sonuçlar beklenmedik ve

olağan üstüdür; parçacıkların çok geniş miktarı

folyodan geçerken sadece küçük veya ihmal

edilebilecek kadar miktarı yolundan sapmış ve

küçük bir miktarı büyük bir açıyla ve geriye de

yansımıştır . Bu gözlemler atomun neredeys e

tüm kütlesini içeren pozit if elektrik yüklü bir

çekirdek ve atomun çoğunluğunun boşluktan

oluştuğu nu söyleyen bir varsayım ile

açıklanabilir . Çekirdek modeli modern atomik

yapı anlayışını doğurmuştur.

1869

1909

Lawrence Bragg kristal örgüsü içindeki atom

pozisyonlarını ortaya çıkarmak için kristallerin

kırınım modellerini analiz etmiştir . Çalış ılan ilk

kristaller NaCl (solda görülüyor), KCl ve ZnS

basit yapılarıdır. 1928’de teknikle mineral

yapıları gösterildi ve enzim yapılarının ve

binlerce atomdan oluşan diğer makro

moleküllerin

belirlenm

esinde

kullanıldı

.

Niels Bohr elektronlar için kuantize olmuş

orbitalleri temel alan atomik spektrumları kapsayan

bir açıklama öngörmüştür. Bu model kuantum

mekaniğinin habercisi olmuştur.

Schrödinger elektronları dalg a olarak ön gören

bir eşitl ikte kuantum mekaniğinin temellerini

keşfetmiştir . Kuantum mekaniği kimyasal

etkileşimler için basit bir mantık sağalmıştır

ama çok büyük bilgisayar kaynaklarına ihtiyaç

duymuştur. Kuantum mekaniksel metotların

rutin uygulaması bilgisayarların geniş

kullanımını beraberinde getirmiştir .

Watson ve Crick bazların çiftleşmesini temel

alan DNA yapısı için çift sarmal modelini

oluşturmuştur.

1912

1913

1926

1953

İlk enzim yapısı x -ray kırınımı kullanılarak

belirlenmiştir . Bu zaman içinde bir enzim

katalizl i reaksiyonun moleküler temelleri

gösterilmiştir .

YAŞAMIN MOLEKÜLLERİ

Cansız ve canlı maddeler arasında bir uçurum vardır. Bir granit türü bir bitkiden çok farklıdır. Bir

granit kaya parçası üç milyar yıl önce oluşmuştur. Onun bu günkü modif ikasyonlara uğramış halini

kazanması için büyük safhalar geçirmiş ve önemli derecede enerji harcanmıştır . Bir bitki karbon

dioksit, su ve güneş ış ığının birleşiminden oluşur ve bir kayaç madeninde onun izlerini bula bil iriz.

Cam kenarındaki kapta büyüyen bir bitki bir yıl içinde dramatik değişiklikler gösterir. Onun

yaprakları atmosfer ile büyük miktarda gaz değişimi yapabil ir ve bitki eğer temas edebilirse birkaç

galon su absorbe edebil ir . Granit parçaları oluşumlarından birkaç dakika sonrada aynı şekildedirler.

Kayaları sabit tutan bazı kuvvetler yaşayan maddelerin değişimine ve gelişmesine izin verir. Burada

ise yaşayan moleküllerin moleküler temelleri görmekteyiz.

Kimyanın doğumunun ilk ışıklarının ortaya çıktığı on sekizinci yüzyılda bitkiler, kemikler, kabuklar,

ağaçlar gibi yaşamı oluşturan doğal organik maddeler; kayalar, mineraller, metaller ve hava gibi

inorganik maddelerden tamamen

farklıdır. Sabit mineraller ve

değişebilen organik bileşikler

arasındaki farklar göstermektedir ki

bu maddelerin birleşimi onlara eşsiz

hayati özell ikler katmıştır .

Bilimin zorunlu rollerinden biri

aydınlatma, kesin oransal ve

gösterilebilir açıklamalarda

bulunma veya teori halinde mümkün

olduğu durumda belirsiz ve

doğrulanmamış bilgilerin

değiştirilmesidir. İnsanlığın evrensel

bilgiyi oluşturmasında kimya

bil iminin fevkalade katkılarından

biri yaşayan maddelerin davranış ve

doğalarının açıklamasını

yapmasıdır. Görmeliyiz ki yaşayan

maddeler inorganik maddeler gibi

benzer kimyasal prensipler dahilindeki kavramlarla

anlaşılabilmektedir. Atomlardan oluşmuş yaşayan maddeler asl ında atomların kısıtl ı bir kesiminden

ve bu atomları moleküler yapıda bir arada tutan bağlardan oluşmuşlardır. Yaşam şüphesi z karmaşık

ve çeşitl idir ama onun molekülleri , temelleri yeni ve farklı temel teoriler gerektirmez. Yaşamın

moleküllerini anlamamız için hayatsal bir kuvvet aramaya ihtiyacımız yoktur.

Şekil 65 lysozyme’un yapısı.

1965

Bu o kadar ileridir ki düşünürler yaşamsal bir kuvvet arayan kişilere a ptal yakıştırması

yapmaktadırlar. Gerçek yanıt yaşayan maddelerin inorganik minerallerden fevkalade ve oldukça açık

farklıl ıklarının olduğundur. Bu olgunun açıklanmasında gerekli derecede yaratıcıl ık ve zamanının

entelektüel araçları kullanılır . Yaşamın kimyasal kavramlarının alt ındaki ve yaşamın moleküllerinde

bulunması mümkün olan bilgi katalogunun fevkaladeliği gözlemler yapmayı gerektir ir .

Yaşamın molekülleri kendi hareket aksiyonlarını açığa vuran yeni yapısal keşiflerle önemi

vurgulanan yeni özell ikl eri barındırmaktadır. Başlangıçtaki açıklayıcı örneklerden birini al ırsak.

Eşsiz mimarideki lysozyem molekülü (yukarıda görülmekte). Bu kompleks molekül insan göz yaşında

bulunur. Onun eşsiz şekli ona mükemmel moleküler özell ikler bağışlar. Molekülün karma şıklığı onu

özel yapar. Asl ında o karmaşık işlemsel problemlerin çözümüdür.

Sabit gözler basit organizmalarda etkindir, ama hayvanlar için hayatta kalmada önemli derecede

zorluk olur. Yırtıcılar veya atik avların değişimi i le bu yarış başlamış olmalıdır . Gözlerin geliş imi

hareketin sürtünmesinin engellendiği ve hassas optik teçhizatların yıkana bilmesini sağla yan bir

yağlayıcı dönüş hareketinde önemli düzenlenme ve gereklilikleri yapa bilen bir göz çukuru içinde

gözlerin hareket edebilmesini sağlamaktadı r. Yağlayıcı kendil iğinden özel ihtiyaçlar gerektir ir ,

viskozitenin düşürülmesi entalpi düşüşünü de beraberinde getirir , düşük üretim maliyeti i le beraber

organizmanın yiyecek yemesi gibi çok tüketilmez, ve düşük matlık nedeniyle orij inal görüşü

gerçekleşt iren sistemle karmaşa yaratmaz. Gerekli liklerin listesinin büyüklüğü yağlayıcının

bakterileri barındırmamasını zorunlu kılmıştır . Göz yaşı bu yüzden bakteri hücrelerinin duvarlarını

bozan bir ajan içerir. Bu madde doğada bu amaç için geliştir ilmiş olan lys ozymedir. O gözün veya göz

çukurunun hassas membranını etkilemez. Onun yerine bakteri hücre duvarlarının moleküler

seviyedeki bileşenlerini tanır ve onun elemanları üzerinde kil itlenmiş hale gelir , yabancı

organizmanın duvarını parçalayıp yok eder.

Lysozyme zor işlevsel problemlerin zarif bir çözümüdür ve tipik memeli hücrelerinin kuru ağırl ığının

yarısını sağlayan 10,000 farklı

proteinin bir idir. Moleküllerin

oluşumuna baktığımızda bu özel

moleküler çözümlerin yaşamın asıl

moleküllerinden biri olduğunu

görürüz. Benzer tipteki moleküler

çözümler gazların aktarımında,

hücre ve mukusların yapısında ve

kan akışının düzenlenmesinde

problemlerin üstesinden gelir .

Lysozyme molekülünün şekline

yeniden bakarsak molekül

atomlarının tümü görülmekte,

moleküldeki ve (molekülün

çalışmasında var olan) su

molekü l ler indeki hidrojen

atomlarının sayıs ının benzer olduğu

görülmektedir. Yapı zor problemleri

çözmek için gelişt iri lmiş doğaya

sahip olan moleküler; problem

çözümünün çok karmaşık olduğunu

açığa çıkarmaktadır. Komplekslik bir sonuçtur ve milyonlarca yıll ık evrimin fevkalade başarıs ının

ürünü ve sonudur, ama bu kimyanın temel prensipleri içinde anlaşılabil ir . Yaşamın etkin molekülleri

yaşayan bir organizma içindeki çok geniş, zor aktivitelerin üstesinden etkin şekil de gelebil ir .

Lysozyme molekülünde gördüğümüz gibi büyüyen sayıdaki maddeleri modern yapısal keşiflerle

yapmak mümkündür. Yaşam molekülleri kompleks ve eşsiz moleküler mimariyi içerirken moleküller

bu etkileri gerçekleştir ir . Bu kompleksliği yaşamın molekü lleri nasıl başarır?

Şekil 66 lysozyme’un yapısı alfa heliks yapısını göstermektedir, kırmızı silindirler olarak görülmektedir.

En basit yaşayan maddeler olması durumunda,

anlaşılan fevkalade fonksiyonel çeşitl il ik hayat

gücü teoris i için bir kök sağlaya bilir . Yaşayan

moleküllerin içindeki elemanların sayısı küçüktür.

soldaki resimde periyodik tabloyu

gösterilmektedir ve burada gösterilen element

tiplerinin %99 yaşayan maddelerin yapısındadır.

Canlandırıcıların varlığı bu yüzden

düşünülmüştür. Bu komplekslik ekstra, esas

olmayan bileşenlerden gelmiş olmalıdır. Şunu

bil iyoruz ki doğa benzer verimlil ikle ka rmaşıklığı

başarır. Transistörlerin ve dirençlerin birleşerek

bilgisayarları, ekmek kızartma makinesi ve

arabaların ateşleme sistemlerini oluşturması gibi

yaşamın da temel inşa bloklarından

oluşturulması gerçekleştirilebil ir . Yaşamın

molekülleri çoğunlukla atom zincirleridir. Bir

kere zinciri oluşturmayı başlattınız mı çok

sayıda permutasyon veya mümkün olan

düzenlemeler gelişir , bu karmaşıklık doğal

olarak ortaya çıkar. Soldaki resim yaşayan

organizmaların içerdiği basit moleküllerin

bazılarını göstermekte dir, mesela yağlarda ve

hücre duvarlarında enerji tersinirdir. Bu

moleküller solda gösterilen amino asitler gibi

sınırl ı sayıdaki birleşenden oluşmuştur. Amino

asit ler aşağıda gösterilen tarzda bir araya

getiril irler. Bir su molekülü peptit köprüsü

olarak bil inene bağın oluşumunda iki sıralı

molekül arasında elemine edil ir (basit bir

reaksiyon olan naylonun yapılması gibi

molekül zincirlerinin oluşumu için

elveriş lidir).

İki peptit arasındaki reaksiyon zincir in

çevrilebilmesini veya çevrilememesini

mümkün kılacak kümeler yapılabilmektedir.

Yaşamın yüksek verimlilikteki molekülleri bu

sınıfını oluşturmaktadır. Bunlar bir özel

fonksiyonu gerçekleştirmek için bir araya

gelebilir ve sonra tamamıyla farklı moleküler

çözümlerin oluşturulmasında tüketil irler.

Ancak lysozyme’in olduğu durumda sapkın

bakterilerin etkin şekilde parçalanması gibi

önemli işlevleri başarmasında doğru zincir

toplanmamış olabil ir , ama moleküllerin çoğu

son ürünü oluştururken kendi çevresinde

dolanır ve sarmal oluşturur. Aslında yaşamın

moleküllerinin çoğunda ilk olarak kendi kendisi

ile etkileşime zorlanır. Çok yoğun moleküler

makineler oluşurken çalışabilir hale gelmeden önce bunu gerçekleştirmeye tahsis edilmişlerdir .

Yukarıdaki resimde kırmızı kümelenmiş aktif molekülün boyutlarını karşı laştırmada lysozyme

zincir inin uzatılmış uzunluğunu göstermektedir. Bunun dışında proteinler moleküler yardımlar

olmadan kendisi için gerekli kümelenme ve tutunmayı gerçekleştirebil ir . Bunu yapan oluşum nedir?

Şekil 67 sarmallaşmamış ve negatif lysozyme molekülleri. Negatif molekül kendisini çok yoğun paketlenmiş yapıdadır.

Tropikal organizmaların yüzde sekseni sodan oluşur,İlk

oluşmuş protein molekülü su i le temas ettiğinde, aslında,

protein yapısının farklı kıs ımları onu oluşturan destek olan

su ile etkileşir . Farklı amino asitler farklı moleküler

yapılara sahip oldukları için su ile farklı derecede

etkileşime girer . En önemli proseslerden biri hidrojen bağı

olarak bil inen özel bir bağlanma şeklidir. Buz kristalindeki

su moleküllerinin oksijen ve hidrojen molekülleri arasında

benzer bağlar oluşur. Buzdaki gibi protein yapılarının

sıkıca tutulmasını bu kıs ımlar oluştu rmaktadır. Bu

bağlanmanın bir örneği aşağıdaki resimde görüldüğü gibi

sağlana bil ir .

Burada Linus Pauling tarafından doğada görülmeden önce

teorik olarak öngörülen proteinin yapısal kimyasının önemli

bir elemanı olan alfa sarmalı görülmektedir. Gerçek proteinlerden oluşturulmuş örnekler oldukça

güzel ve karmaşık olabil ir . Solda görülen hemoglobin yapısı bir proteindir ve ciğerlerimizden

vücudumuza oksijen taşımaya uygundur, buda bizim kas ve hücreleriniz için gereklidir. Kompleks

protein fonksiyonlarını kontrol eden, şekli vermek için amino asitler bir birine geçerek bir araya

gelen farklı örneklerin bir düzenlemesini içerir. Çoğunlukla bir kaç ayrık protein standartları bir

nesneyi vermeyi başaran süper kompleksler oluşturmak için sarmallaşır .

Şekil 68 Hidrojen bağları buzdaki su moleküllerini bir arada tutar. Bu resimdeki su molekülleri arasındaki hidrojen bağları kırmızı oksijen atomları ve beyaz hidrojen atomları arasındaki parlak mavi silindirler ile betimlenmiştir.

Şekil 69 Solda alfa sarmal ve sağda beta sarmal peptit yapıları hidrojen bağlarıyla bir arada tutulur.

Şekil 70 Hemoglobinin yapısı proteindir ve hidrojen taşıması için uygundur.

PROTEİNLERİN KATLANMASI

Temelde protein katlanması atomların

kendi içinde etkileşimi olarak anlaşıla

bil ir . Eğer molekülün potansiyel enerjis ini

proteinin yapısal fonksiyonu olarak

hesaplarsak, bunun konformasyonları

çoğunlukla onun enerjisini düşürücü

olarak etki eder. Bu manada protein kendi

içinde paketlenir. Bu tercih edilen

etkileşimleri maksimize ederken ve tercih

edilmeyen etkileşimleri minimize ederken

küçük mıknatıs parçalarının toplanması

gibi güney ve kuzey kutuplar arasında bir

hat halinde bir araya gelme

eğilimindedirler. Bilgisayar simülasyon

metotları solda görüldüğü gibi paketlenme

prosesinin basit leştirilmiş modelinin

inşasıyla bu prosesin taklidini yapabil iriz.

Proteinler kendisini oluşturan atomlar

arasındaki kuvvetler ve bu atomlarla su

arasındaki kuvvetlerin etkisi altında kendi

çevresi etrafında dolana bilen molekül

zincirleri haline gelebil irler. Oluşan şekil

proteinin fonksiyonlarını kontrol eder ve

biz sonraki bölümde protein bil iminin bu

yüzüyle çalışacağız. Protein içindeki

atomların doğru sıralanmasına önem veren

şekilde doğanın düzenlediği yapıda

kompleks organizmaların ihtiyaç duyduğu

yönleri karşılayacak protein molekülleri nin

kopyalarını nasıl mükemmel şekilde

üretebiliriz? Bu sorunun cevabı yine

kimyasal etkileşimlerin önemine bizi

götürür ve yine hidrojen bağlarının ve

doğanın bilgiyi kopyalama ve aktarmadaki

kimyasal kuvvetler gibi atıl ımları

yapabilmesindeki öneme bizi yönlendirir .

Eğer bir bilgisayar kullanıyorsanız veya

elektronik uygulamaların her hangi birini kullanıyorsanız veya şu anda dünya ile teması olan

herhangi bir elektronik mikro çip kullanıyorsanız emirlerin uygun şekilde bir araya getirilmiş bir

yapısını kullanıyorsunuz demektir. Bu emirler elektronik uygulamaların ardı ardına gelen yollara

benzer şekilde verilen bir etkiye nasıl ulaşılabileceğini açıklar. Kelime iş lemciler veya tablolanmış

sayıların toplamında iş araçları içindeki veya büyüleyici oyunlard aki elektronik anahtarların hızl ı

şekilde toplanmasında farklı yollardaki değişimlerde kullanılan bilgisayar gibi bir alet de olabilir .

Kod terimi bilgisayarların klavye, maus veya kalem gibi dışarıdan uyarı sağlayan araçlara karşı

yanıt verebildiği emirlerin uygun şekilde bir araya getirilmiş topluluklarında kullanıl ır .

Jakuard 1800’lerde Fransız dokuma tezgahları için otomatikleştir ilmiş tezgahların karmaşık

örneklerinin üretimlerinde delikl i kartlarda sıralı emirlerin bulunduğu yapılar (bunlar daha sonr a

bilgisayar programlarıyla kullanılan ortamlarda uygulanmıştır) kullanılmıştır .

Bir kod sonra uygun işlemleri gerçekleştiren bi lgilerin bir kaynağıdır. Doğa ilk olarak uygun çevrede

oluşmuş olan protein dizileri için temel planları kullana bilecek kodlar a ihtiyaç duyar. Proteinlerin

kendisi için gereken üç boyutlu yapıyı bilgisel olarak gerektiği gibi içinde bulundurur. Fakat s ıralı

bilgiler bir yerden gelmelidir. Sadece bilgiyi verecek bir mekanizma geliştir ilmiş olmalıdır.

Şekil 71 Peptit moleküllerinin enerji minimizasyonu.

Dünyadaki yaşam 1953’te Fran cis Crick ve James Watson tarafından keşfedilen bil imin doruk noktası

olan, kod taşıma işlevli, yaşam formları arasında ilk bakışta göze muazzam görülen bağıntıyı

keşfetmiştir . Bunun basit bir modeli sadece replikasyonla açıklanarak sağlanamaz. Dünya üzeri ndeki

tüm yaşamın açıklanması yeniden üretimin ve genetik kalıtımın arkasında bulunan kimyasal

etkileşimlerle de desteklenir, oluşan olayların gerçekte ortaya çıktığı alanlara güç ve gözle görülür

bir temel sağlamıştır ve araştırmalara yeni alanlar açmıştı r. James Watson ve Francis Crick

tarafından bulunan çift sarmal bu amaç için baş arılı bir model göstermiştir .

Tüm geometrik bilgiyi taşıyan

moleküller aşağıdaki resimde

gösterilmektedir. Maket model

inşasında James Watson tarafından

keşfedilen özellikler bu moleküller

oluşturulurken bu molekülleri

oluşturan özel bağların zor algılanan

bir örneği i le bu yapıyı ortaya koymayı

gerçekleştirmiştir . Proteinlerde, buzda

ve suda görülen hidrojen bağları bu

molekülleri çok çeşitl i şekillerde bir

arada tutar. Bu tem ellerin tümleyici

çifti soldaki resimde görülmektedir. Bu

manada uygun koşullarda temel

molekül zincir i tamamlayıcı bir kıvrımı

oluşturan eşleştiği diğer temel zincire

tutunur. James ve Crick bunun

olabileceğini göstermişlerdir ve

Şekil 72 DNA moleküllerinin replikasyonunun şematik gösterimi. Mavi olarak gösterilen temel kıvrımın orijinal bir çiftinin bölünmesi ve temel dizilimin özdeş ikinci kopyasının oluşması.

bununla beraber kıristografiyle büyüyen difraksiyon deneylerinin örnekleriyle açıklana bilmekte olan

nükleoik asidin iki bileşen çiftinin nasıl sarmal şekilde düzenlenebileceğini göstermiştir . Dev sarmal

moleküllerin aşağıda gösterilene benzer şekilde olduğu keşfedilmiştir . Watson ve Click’ in iki zincir

molekülünün keşf i DNA sarmalında buluna n çok önemli gözlemleri de beraberinde getirmiştir .

Biyologlar hücre bileşeninin genetik bilgis inin moleküler büyüklüğünden bağımsız olduğunu

düşünmüşler ve kimyagerler bunun elementel bileşenlerinin mantığını belirlemişlerdir. 1953’te iki

bil imsel alan bir bir ine bağlanmıştır .

DNA molekülü kritik bilgi taşır ve bu merkezi önemde rol oynar. Çift sarmal hidrojen bağlarıyla bir

arada tutulur ve proteinlerdeki aminoasit lerin sıralanması için kod ların temel bir leşenlerini

kullanırlar. Böylece mesela DNA molekülünün temel dizis inde adenin, adenin, adenin temel dizisi bir

protein molekülünün özel bir bileşeni içindeki sıralaması olabil ir . Şimdiki proteinler çoklu görev

yapan katalizörlerdir ve molek üler iş gören araçlardır. Hayati, oksijen taşıyan ve kasların mekanik

gücünü sağlayan ve DNA ‘nın kendisine benzeyen proteinlerden oluşan molekül birleşenlerinin uzun

zincirleridir. Kompleks organizmalar tarafından ihtiyaç duyulan farklı protein moleküller inin geniş

aralığını inşa etmek için zorunlu olan sıralı kodları nükleoik asit ler taşır. Bilginin fevkalade şekilde

depolanması ve kullanımı için temelde bulunan sıralı adımlar ş imdi daha iyi anlaşılmaktadır.

Transkripsiyon DNA dizisinin dikkatli şekilde o kunmasını ve uygun bileşenlerin toplanmasını ve

protein molekülünü oluşturmak için bunların bir bir ine bağlanmasını sağlayan moleküler seviyedeki

bir prosestir . DNA molekülü sadece protein moleküllerinin inşası için gereken bilgiyi içermekle

kalmaz kendinin bir kopyasını da yapabilir . Bu hücre bölünmesi ve yaşamın moleküler olarak yeniden

oluşumunun anahtarıdır.

Basitçe bilgisayarla oluşturulmuş resim DNA’nın özünün sırlarını taşır. DNA’nın tek bir çift

sarmalında her bir sarmal uygun şekilde bir araya gel erek bir birini tamamlar. Helozonik bilgi

taşıyıcılar sonra mükemmel şekilde kopyalanır. Bu hücre bölünmesinde ve organizmanın

çoğalmasında temeldir. Farklı hücrelerden gelen DNA’nın sarmalları modif iye edilmiş çocuk sarmalı

evebeyn DNA moleküllerinin kara kteristik birleşimiyle oluşur. Bu kalıt ımın temelidir. Yaşamın gizemi

DNA’nın sarmalında bulunmuştur. Bilim adamları yaşayan organizmaların hücrelerinde kontrol

edilen DNA’nın karmaşık mekanizmalarının çoğunu öğrenmişlerdir. Ortaya çıkan resim karmaşık ve

zordur.

Yıllar öncesinin milyonlarca sert kimyasal aktivitelerinden ortaya çıkan moleküler bilginin

çoğalmada tek bir baskın etmen olarak ortaya çıkması mümkün müdür? Yaşamın keşfedilen çoğalma

mekanizmasının çeşitli liğindeki tek canlandırıcı olduğuna i nanılan tek bil inen şeydir. Bir ist isna

diğer türlerin hücrelerinin üretken iş leyişe el koyan çoğaltıcı olan ‘prion’ proteini oluşumunda

meydana gelir . Koyunlardaki sorapie hastalığı bir prionla sleep hücrelerinin soyulmasıyla oluşur. Bu

asalak proteinin prion molekülünü üreten taşıyıcı hücrenin nasıl olabileceğinin bilmiyoruz ama

bil iyoruz ki enfeksiyon DNA’nın taşıması olmaksızın aktarılamaz ve prionlar kendileri nükleoik asit

taşmazlar, enfeksiyona yol açarlar ve böylece çoğalırlar.

Bildiğimiz kadarıyla prion moleküler taşıyıcı yağmacıların izole edilmiş örnekleridir. Nükleoik

asit ler ve bunların bilgis i yaşamın diğer formlarının arkasında ilerletilir . Bu moleküler bilgi

başarıdan gözle görülür şekilde zevk alır . Bu neden olmaktadır? DNA etkin şekildeki bilgiyi gözle

görülür şekilde kaliteyle taşımaktadır, öyleki moleküler makineler veya proteinler sonraki

jenerasyona başarılı şeklide geçer. Evebeyn moleküllerinin genetik bilgis inin içinde bulunduğu

DNA’lar tek bir çocuk DNA molekülü yapmak üzere bir biri yle eşlenir. Bilgi kaynaklarından gelen

bilginin bu şekilde çift lenmesi, çevre ve durumların değişmesiyle yaşayan moleküllerin başarıl ı

şekilde yarışmasına izin verir.

Tüm yaşam formlarının bu yeteneği kullanmaya ihtiyacı yoktur, ama çoğu bunun avantajlar ının

dış ında kalır . Başarılı nesneler evebeyinlerinin güçlüklerinin ve güçsüzlüklerinin özdeş bir kopyası

değildir ler, bunun yerine iki evebeynin genetik kodlarının birleşenlerinden inşa edilmiş eşsiz

bireylerdir. Gözleri annesinin gözlerine benzeyen bir b ebeğe baktığımızda protein ve pigmentlerin

üretilmesi için emir veren genetik kod kopyalarının geniş bir sistemine bakmaktasınızdır. Herşey eşit

olabil ir , babanın kodu çocuğu oluşturan diğer alanlarda kendini gösterir.

MOLEKÜLER EVRİM

Genetik bilginin mükemmel bir kopyasını neden aktaramıyoruz? Bazı organizmalar bunu yapıyor ve

bunlar dünyada değişmeyen bir rol üstlenmişlerdir. Genetik bilginin değiştir ilmesi bir türün değişen

çevreye karşılık kendini ayarlamayı başarmasını sağlar. Eğer dikkate değer bir özell ik zorunlu

olarak korunmak istenirse muhtemelen özelleşmiş moleküler makine için bir örnek olarak yeni

nesillerin moleküler inşası gerçekleştiri lirken bu moleküllere dikkat edi lebil ir . 1850’de Chars Darvin

Türlerin Kökeni yayınında evrim geçiren moleküler değişimlerin yönünü belirleyen sert prensibi yani

doğal seçimi i leri sürmüştür. Bu özellikler va rlıkların olaylar ile baş edebilecek en iyi yaşayabilen

formlarının verimliliği organizmalar için hayatta kalma yönünde olacaktır ve organizmada sabit

olarak kalacaktır.

DNA makinesi bilginin aşırı derecede doğru olarak kopyalanmasını sağlar. Gerçekten organizmalar

özel moleküler makinelere sahiplerdir. Bu tür moleküler taslaklar oluş abilecek herhangi bir hayatın

tekrarı için dizayn edilmiştir . Bireyler arasında meydana gelen her hangi bir değişikl ik sonra nasıl

aktarılmaktadır? Bir mutasyon yada modif ikasyon çok seyrek olarak gerçekleşirse belirlenemeyen ve

tekrarlana merkezi bilgi il e birleştir ilecektir. Bu gibi mutasyonlar çoğunlukla dezavantajdı, hayatta

kalamazlar ve tekrarlanamayan bir organizmadaki sonuç olacaktır. Fakat bazen oluşan yeni

özell ikler türlerin hayatta kalmayı sürdürmelerinde hayati bir adım olmaktadır. Mesela hemog lobin

molekülünde bir dizi mutasyon olması anemi orak hücrelerini oluşturur ve kırmızı kan hücrelerinin

alg ılama etkinliğini azaltır . Bu mutasyonun olması durumunda sıtma enfeksiyonuna direnç sağlayan

kodonda yeterince bozunma olmuşsa bu i ler i safhalarda ortaya çıkacaktır. Doğa farklı reaksiyon

yollarının kabul edildiğinin veya edilmediğinin belirlenmesinde doğal seleksiyon ile kod değişiminin

mümkün olduğu seyrek serbest denemeler yapar. Bu prensip dü nya var oldukça gelişen organizmalar

için gereken moleküller ve bilginin korunmasında sürdürülecektir.

Aslında dört bin beş yüz milyon yıl önce dünyada yaşam yoktu, atmosferik oksijen de yoktu ve dünya

yüzeyindeki sıcaklık bu günkünden gözle görülür derecede yüksekti. Bu atmosfer bu gün diğer

gezegenlerin yüz eylerinde gördüğüz gibi yaşanılması imkansız bir yapıya sahipti. Kimyasal olarak

zengin şekilde değişim için hazır bir haldeydi. Güneşten gelen ultra viyole radyasyonlar ozon

tabakasıyla engellenmemekteydi, yıldırımlardan kaynaklanan elektriksel boşalmalar ve sabit

jeotermal ıs ınma çeşitl i aralıktaki organik maddeleri ve sabit oluşumları etkileyen gerekli uyarıcıları

içermekteydi . En sonunda moleküller kendilerinin kopyasını oluştura bilecekleri ilkel yollar

geliştirmişlerdir. Belki bu ilk yeniden üretilebi len molekül bir meteorla gelmiştir ve onun aktarımı

karbon içeren moleküllerle tohumlanma olmuştur. Kil ler gibi alternatif kır istalik minerallerin

düzenli tabakaları orijinal kalıplar olarak görev yapmışlardır ve moleküler yeniden oluşumu

katalizlemişlerdir. İlk yeniden üretilen molekülün detayları kaçınılmaz olarak zor anlaşılmaktadır ve

belki bunun oluşumunun detaylarından asla emin olamayacağız . Şunu biliyoruz ki; çevre kimyasal

olarak çok haşindi, evrimsel zorluklar bu yüzden kuvvetlidir ve karmaşık zam an skalası sadece

jeotermallerle ölçülebil ir . Biz moleküler evrim yollarını belirleyen moleküller hakkında sadece

öngörüde buluna bilir iz. İlk yeniden oluşturulan moleküller algılanabilecek fosil kalıntılarındaki

izleri görülemeyecek kadar küçüktür ve belk ide sonra evrim geçiren moleküller s istemlerin

birleşmesiyle tüketilmiştir . Aynı bu gün bizim çok uzak atalarımızdan kalan mirası kullandığımız

gibi erken hücresel sistemlerde depolanmış karbon dioksit in kullanımıyla oluşan oksijen ve korunan

fosil yataklarından alınan petrol gibi ilk oluşan moleküller için yapılan araştırmalar ikinci dünya

savaşında kullanılan ilk elektromanyetik kod kırıcılar ve on dokuzuncu yüzyıl ın kart kontrollü kumaş

dokuma makinelerinden son birkaç on yıldır arşı karşıya kaldığımız m odern bilgisayar teknolojis inin

kullanıldığı alanlara kadar bunun araştırı lmasında kullanılmıştır . Eğer evrimin ilk kanıtlarından

birini ispat etmek istersek bu günkü bilgisayarlar uzak soyların belirlenmesinde açıkça zor işler

üstlenmişlerdir. Bir alternatif bakış açısı evrimin yer aldığı şartları ihtiva eden deneysel bir model

oluşturulabilir . Tabiî ki milyarlarca yüz yıl süren bir prosesi simüle etmek istersek bu çok uzun

zaman alacaktır ama insan hayatı skalasıyla sınırlandırma yapıldığında bilim insanl arı bizim

dünyamızın doğmasında var olduğuna inanılan şartların taklidini hemen hemen

gerçekleştirmişlerdir. Deneyler göstermiştir ki karbon dioksit, H 2O ve basit moleküler protein

bloklarının inşasında zorunlu olan amino asitlerin oluşmasında uygun şekild e baskın şartlar bir

araya getirilebil ir . Bir önceki bölümde kimyasal bağın oluşumunun ardındaki nedenleri öğrenmiştik.

Kendinin kopyasını oluşturmak için düzenlenmiş basit moleküller i lk olarak nasıl oluşmuş olabil ir?

Moleküllerin kopyalanma sistemi bir meteorun etkisinin sonucunda meydana gelen dramatik çevresel

değişimlerin veya daha farklı bir neden bir araya gelerek dünya yüzeyinde moleküllerin artmasına

neden olmuş olabil ir . Yukarıda değinildiği gibi uygun bir teori ilk basit molekülün hassas şekilde

düzenlenmesinde ihtiyaç duyulan ve avantajlandırılmış kimyasal reaksiyonlara uygun katıların

kendini tekrarlayan atomlarından oluşan eğilimi birlikte gitmektedir. Bu hipotez doğrultusunda

katılar ve organik moleküller arasında sempatik bir ortaklık kurulmuştur, katı ve az düzenli

katalit ik ve kalıp fonksiyonlarını sağlar ve zincir benzeri moleküllerin oluşturulmasından önce katı

fazları bir arada tutan küçük moleküller bunu sağlar. Bu günkü dünyada görülen kil madenleri

moleküler yaşamın aşırı erken kimyasa l formların kalıntıları olabil ir . Yaşamın ilerleyiş inde her türlü

moleküler adımların oluşmasını bu anki dünyada yaşayan formlarda başarılı kimyasal kopyalama

mekanizmalarının varlığının arta kalanlarını görebilmekteyiz.

İnsanlar yaşayan moleküller için şuandaki bilinmeyen bilgileri keşfetmektedir. İlginç şekilde

mükemmel olarak taklit edilen uygun kodonlara sahip insanlar doğal proseslerin çoğunu anlaya

bilmeyi başarmakta ve sonra onu taklit etmektedir. Mesela matematikte bir matematik probleminin

çözümünde Darvin’in mücadele ettiği doğrultuda simüle edebilme araştırmal arında genetik

algoritma denen denklemler son zamanlarda bil indik ve şöhretl i hale gelmiştir . Burada çözümlerin

ilk popülasyonu değişen özell iklerle bilgisayara bağlı en uygun var olma değer inde diğerine göre

uygunsuzdur. Bireysel çözümler oluşan yavru hayvanda bir araya gelebilir ve zaman zaman meydana

gelen mutasyonlar önceden görülebilmektedir. Çevre çözülebilecek olan bir problemdir ve her

mümkün olan çözüm onun uygunsuzluğunu belirleyen bu ölçüme karşılık gelen matematiksel sonuçlar

vardır. Tek bir çözümün hesaplanmasının sonunda bilgisayarların ayarlandığı şekilde probleme

karşılık gelecek matematiksel varlığın en uygun sonucunu korur. Modern bilgisayar uzmanları yaşam

sistemlerini oluşt uran proseslerin oynadığı rolü överken zor problemlerin çözümünde yine doğayı

taklit eder.

On dokuzuncu yüz yıl bil im insanları yavaş yavaş yaşamın ihtiyaçlarını bil ir hale gelmektedir,

proteinler ve nükleotidleri içinde bulunduran temel besinlerle organizmaların kendilerinin sentez

yapmaları olanaksız olan bazı kimyasalların küçük miktarlarının eklenmesi zorunludur. ‘Vitamin’

kelimesinin tanımladığı şey vital (hayati) amino veya tamamen yabancı olduğumuz kimyaya sahip

azot içeren bileşikler manasındadır. Yaşamın hayati derecede eser elementlere de bağlı olduğu

keşfedilmiştir .

Vitaminler, eser elementler ve proteinler arasındaki özel bağlantı yaşamın bu moleküller ile

alakasını yapısal olarak araştıran kır istografi bil imiyle bunu incelemekteyiz. Çoğunlukl a enzimlerin

kalbinde proteinlerin aktivitelerinden sorumlu aktif metal atomları bulunur. Buna mükemmel bir

örnek soldaki hemoglobindir. Bu protein molekülü büyük bir diske benzeyen molekül içinde demir

atomları bulundurur. Bu konfigürasyonda tutulan demir oksijen moleküllerini tutabilir ve daha

sonraki moleküllerin sentezi veya kasların hareketini mümkün kılan enerjinin oluşmasında oksijen

moleküllerini tüketen merkezlerdeki organizmalara oksijeni ilet ir . Hemoglobin amacına mükemmel

şekilde adapte olmuştur . Bizim akan kanımızda hemoglobin dört moleküllü küme halinde

bulunmaktadır. Bu moleküller oksijen zengini ortamla karşılaştıklarında büyük orandaki oksijen

atomunu absorbe edebilmektedir. Bu kooparativite olarak bil inen bir prosesle başarılır . İlk

absorblanan oksijen molekülü diğer oksijen atomlarının absorblanmasında diğer hemoglobin

molekülü gurupları için protein yapısını hafifçe bozarak kolaylaştırır . Bağa eklenen bir öğe paket

dolana kadar bağı açık tutacaktır. Buradaki tüm paketlemeyi dizayn edebilir iz ve ama insan yaptığı

ile dünyada çoğunlukla tersi şeyler olur. Bu örnek yaşamın moleküler mekanizmasının nasıl yüksek

derecede evrimleştiğinin göstermektedir. Kimyagerler oksijeni taşınmasında demir temell i bazı

molekülleri sentez edebilmekteler, bunlar doğal hemoglobin molekülünden daha düşük değerde

etkindir ve bizim bil inen protein yapılarından fikir alabilme avantajımızda vardır. Doğa

geliştir ilmesi zor aşırı derecede etkin taşıma sistemleri ayarlayabil ir . Bir kere bu seviyedeki

mükemmeliyet idrak edil dimi cesaret kır ıcı olabilir , bunun görüldüğü durumlardaki gibi tüm gerçek

fikirler al ıntıdır. Daha iyimser bir bakışla meydana gelen problemin kompleksliği görülmektedir.

Şaşırtıcı problemleri taşıyan doğadaki yolları öğr enebilirsek sonra sahip olduğum uz daha zor

problemlere bakabil iriz, mesela antibiyotiklere bakterilerin di renci veya çevredeki ağır metal

kirleticilerin yarattığı sorun.

İnsanların kazandığı çoğu bil imsel avantaj eğer doğanın açık bir kopyası değilse dikkatli çalışmalar

ile elde edilmiştir . Farmakolojik olarak aktif moleküller çoğunlukla direkt doğadan alınır. Bunlar

doğal yapıdan i lk al ındıktan sonra bil im insanları moleküllerde modifikasyon yaparak aktivitelerini

artır ırlar ve hareket modları hakkında bilgiye sahip olmak isterler. Alko loidal ilaçlar hedef

modifikasyonlarla bunu takip eden kullanıma örnek vermek gerekirse; morfin doğal olarak elde

edilmiş bir üründür ve haşhaştan ekstrakte edil ir . Kodein ve herodin morfin molekülünün iyi bil inen

iki modifikasyonudur, kimyasal yapıdaki kü çük bir değişim aktarımla dah a iler iki safhalarda

görülebilir . Doğal ağrı kesicilerin bil inen en iyi örneği salis ilik asitt ir ve söğüt ağacı kabuğundan

ekstrakte edil ir . Salisil ik asit basit bir modif ikasyonla aspir in olarak bil inene asetil salis i l ik asit

oluşturulur. Çoğu bu türden molekül salisil ik as it molekülünden ve vücuttaki bazı proteinlere

bakılarak geliştir ilmiştir ve satılmaktadır. Kil itl i ve açık enzimlerdeki ilaç moleküllerinin etkileşim

fazlarını tartışmaktayız.

Yirmi birinci yüzyılda yaşayan moleküllerin bil imsel olarak bilinmesi ve uygulamalı kimyadaki

gelişmeler medikal uygulamalar ve farmakolojik ürünlere kuvvetli şekilde etki etmiştir . Alkoloidal

ilaçlar yüzyılına geri dönecek olursak ağrı kesici ilaçları etkinliği daha da iyi seviyeye get ir ilmiştir .

Etkin antibiyotik ilaçlar cıva, antimon, bizmut, arsenik gibi maddeleri içerir ve şiddetle toksik

bölgelere etki yaparlar. Zehirlerin veya farmositlerin doğasının incelenmesi yirmi birinci yüzyılda

mümkün olmuştur ve sentetik sülfür içeren anti biyotik bileşiklerin , sakinlik ve gevşeme sağlayan

ilaçların ve bu günlerde kullanıla anastezik ilaçların yararlı medikal özelliklerinin araştır ılması

gözle görülür hale gelmiştir . Bilimsel bilginin avantajına bakacak olursak farmakolojik üretici ler

araştırma ve gelişt irmeye kendilerini al ışkın hale getirmişlerdir. Kır istografi tekniği kullanılarak

protein yapılarının incelenmesi bunların açılması ve kilitlenmesi ile ilgil i olan özelleşmiş reseptörleri

ve aktif bölgeleri hedef alan ilaçların dizaynı için yo l göstermiştir . Bu yüzden ilaç şirketleri

moleküler kıristografi gurupları kurmuşlardır.

Yüksek teknoloji ürün leri dünyasında yüksek kaliteli araştırmaların sonucunda yüksek karlı

ürünlerin faydaları defalarca ispat edilmiştir . Bu günkü gelişen teknolojik araştırmalar yerine

geçmiş farmakolojide uzmanlaşan şirketler büyük riskler altındadır. Bu yüzyılda alkoloid i laçlarına

yoğunlaşan ilaç şirketlerin batması bu şekildedir. Bu bölümde yaşamın küçük sayıdaki moleküllerini

incelemekteydik. Bu yolda onların öze lliklerini ve özell iklerinin sonuçlarını anlamaktayız.

Bilgisayarla oluşturulmuş grafiksel gösterimler yapıların çoğunu aydınlatmada ve tarif etmede

kullanılmaktadır. Önemli deneysel bulguların anlaşılmasında hayati rol oynaması ve bunlardaki

önemli moleküllerin davranışlarını uzmanların modellemesine izin vermesi çok değerlidir. Doroty

Hoglein ve çalışma arkadaşları 1960’ta B12 vitamininin yapısını keşfederken bilgisayar işlemin

hayati bir kısmını oluşturmuştur. 1960’ta bilgisayarlar yaygın değildi ve öze l konuların üstesinden

gelmede bu günkü bilgisayarlardan daha fazla iş lem yapmaları gerekiyordu. Onlar özel görevleri için

kendi makine kodlarıyla programlanıyorlardı. Şimdiki bilgisayarlar deneylerin temel kıs ımlarını ve

sonuçların yorumlanmasında da büyü k görevler üstlenmişlerdir. Dünya çapında bil im adamlarının

kullandığı bilgisayarlar bir bilgi ağı olarak network haline gelmişlerdir. Bil im ve teknikte meydana

gelen değişim yaşamın moleküllerinin keşf inde bilme itici güç sağlamaktadır.

MOLEKÜLLER ARASI REAKSİYONLAR

Atomlar moleküler yapıda bağlı olarak bulunurlar çükü toplam olarak oluşan atomların enerjisi

yalıt ılmış haldeki atomların enerjisinden daha düşüktür. İki veya daha fazla molekül buluştuğu

zaman bağlandıkları partnerlerini yeniden düzenleyerek partnerlerini değiştirirler ve daha kararlı

yapıya geçerler. En basit ve temel kimyanın öğrenilmesinde bir inci olan örnek H ve H 2 arasındaki

reaksiyondur. Bu gibi reaksiyonlar seyrek olarak sürekli meydana ge lirler. Yeniden düzenlenmeye

karşı çoğunlukla dirençler vardır ve solda görüldüğü gibi moleküllerin reaksiyona girme eğrilerinde

bir enerj i engeli bulunur. Fakat bir molekül engelin tepesine geldiği zaman çabucak yeni kimyasal

bağ oluşturur. Kimyasal reaks iyonların çok önemli bazı tipleri aşağıdaki tabloda sıralanmıştır .

Şekil 1 A ve BC’nin AB ve C vermek üzere reaksiyonundaki temsili enerji tepesi.

Reaksiyon Tipi

Örnek Tanım

Elektrofi lik H+ + C2H4 → CH2CH3 + Etilen molekülüne proton eklenmesi Nüleofilik CH3Br + Cl - → CH3Cl + Br - Bir sübsütüsyon (yerini alma) reaksiyonu:

buradaki durumda klor iyonu (Cl - ) bromun (Br - ) yerine geçmiştir .

Serbest radikal

O . + O2 → .O3 Bir oksijen mo lekülüne (O 2) bir oksijen atomu (𝑂.) saldır ınca ozon radikali (𝑂3

. ) oluşuyor. Oksidasyon 2Fe(k) + 3/2O 2 (g)→ Fe2O 3(k) Demir oksidi (Fe 2O 3) oluşturmak üzere demir

(Fe) ve oksijen (O 2 ) birleşiyor. Bur adaki (k) ve (g) gösterimleri türlerin katı ve gaz hallerine karşılık gelmektedir.

İndirgenme 3C(k) +2Fe 2O 3(k) → 3CO 2(g) + 4Fe(k)

Karbon demir oksitle karbondioksit ve metalik demiri oluşturmak üzere reaksiyona girmekte.

Reaksiyonlar çoğunlukla dışarıya enerji verir (bazı durumlarda da dışarıdan enerji emerler), klasik

örnek yanmadır; enerj i zengini molekül düşük enerji li moleküller olan karbon dioksit ve su vermek

üzere oksijenle reaksiyona girer, modern yakıtların temeli budur. Çok ilginç bir reaksiyon sınıfı

fotokimya alanında ış ığın emisyonun un sonucunda reaksiyon olmasıdır. Kimyasal reaksiyonlar

elektrik akımı oluşturmak için de gerçekleşebilir . Gerçekten piller kimyasal enerj iyi elektrik

enerjis ine çeviren aletlerden daha fazla bir şey değildir. Ve tüm bu prosesler tersine de işleyebil ir .

Is ı , ışık ve elektrik; kimyasal uyarılma ve reaktiviteyi sürdürme için kullanılabilir . Gerçekten

kimyasal reaktivite ve f iziksel kavramlar arasındaki bağıntı son yüz yılda gelişen kimya bil imindeki

çoğu inanılmaz olanaktan biridir. Bizler sabit olarak kimyas al reaksiyonlarla çevrelenmişizdir. Bizim

vücut yapımız yaşamayı, hareket etmeyi, nefes almayı ve düşünmeyi gerçekleştiren sayılamayacak

kadar reaksiyona bağlıdır . Kimyasal reaksiyonlar endüstri tarafından yeni ürünler yapmak için

geliştir ilmiş ve avantajl andırılmıştır . Bu proseslerin kalbinde yeniden düzenlenen ve keşfedilen yeni

örneklerin olduğu atomlardan oluşan moleküller vardır. Biz şimdi atomlar arasındaki etkileşimler

için temel kuralları bil iyoruz. Ve neden birinin diğerine bağlanması gerektiğini d e bil iyoruz ve

oluşacak atomik birl iktel iklerin muhtemel yapılarını ve moleküller arası etkileşim yollarını kontrol

eden ve sınırlayan faktörlerin bazılarını öğrendik.

A...B...C

A+BC AB+C

MOLEKÜLLERİN UYGULAMALARI

Plastikler ve polimerler zincir molekülleridir. Onların

yapıları solda gösterilen zincir molekülünün binlerce

katına uzatılabilir . Polimerlerin moleküler zincir

yapıları naylona benzer fiberler ve güçlü kevla rlar

verir. Bu maddeler üretildikleri zaman bunların

özell ikleri bireysel polimer zincirler inin kontrollü

düzenlenmesi ile amaca uygun hale getirilmiştir .

Metaller açıkça tanımlanmış atomik yapılara

sahiptirler. Bunların özell ikleri bu yapıları bir

arada tutan delokalize olmuş bağların

etkisiyle baskın hale gelir .

Elmas gibi değerli taşlar büyük, etkin olarak devam

eden, moleküllerden oluşan kimyasal bağlarla bağ lanan

atomların düzenli yerleşmesinden oluşmuştur. Üç

boyutta genişlemiş kuvvetli kovalent bağlar bu

maddeleri kuvvetli yapar.

Düşük mantonun aşır ı basıncı

alt ında magnezyum sil ikat (MgSiO 3) sekiz katl ı

kordine silikonda beklenmedik yapılar

benimsenmiştir

ve materyalin

yapısı solda

görüldüğü gibi

perovskiteninkine benzerdir.

Çoğu bileşiğin aktif bileşenleri küçük moleküllerdir. Bu med ikal

olarak aktif moleküller yaşayan organizmaların özel moleküler

bölgelerinde çalışır ve görev yaparlar. İlaçlar sağlıksızlık yaratan

kolesterolün üretimi gibi düzensiz ve istenmeyen proseslerin

tedavisine imkan sağlar.

Plastikler

Metaller

Değerli taşlar

Mineraller

İlaçlar

DURDURMA VE ENGELLEM

Bilimdeki önemli fikirler kabullenilmek için zaman isterler.

Örneğin 1995’ten sonra kıristografinin tam resmi makro

moleküller arasındaki etkileşimin detaylarını ve bu moleküllerin

görevlerini açığa çıkardı. Ondan sonra bu etkileşimlerin

değerlendirilmesiyle bu günkü aşamaya gelindi . 1894’te sodyum

klorürü bulunduktan yirmi yıl sonra yapısı çözüldü ve herhangi

bir protein yapısı bulunduktan yarım yüz yıl sonra anlaşıldı.

Alman organik kimyacı Emil Fischer enzim ve substratı bir arada

tutan ‘anahtar kilit ’ il işkisini önermişti. Fischer’ in cesur teklifi

ve şeker üzerinde enzimlerin etkis i dikkatlice çalış ı ldı ve bazı

moleküler yapılarının ayna görüntüleri olduğu durumda bu ikis i arasındaki farkın enz imler

tarafından ayırt edile bildiği açıklandı.

Fisher’in hipotezi bil imsel araştırmanın temeli olmuştur, moleküler biyoloji oluşurken onun öncülük

ettiği model inşa şekli Linus Pauling’den esinlenmiştir , ve

şimdi ilaçların çevrimsel dizaynında merkezi bi r yere sahiptir.

Bilgisayar grafiklerindeki moleküller arasındaki

etkileşimlerin tam varlığını gözden geçirirsek kapsamının

yakınlaşmasının ilk olarak bir yüzyıl öncesinden anlaşıldığı

gerçeğini gözden kaçırmayalım. Moleküler tanımlamada

molekülün bir diğeri ile etkileşim detaylarının bil inmesi,

mikroskobik kimyasal bileşiklerin tüm formlarının bunlara

etkisinin yollarını göreceğiz.

Moleküller; şekilleri ve kendilerine karşıl ık gelen farklı özell ikleri ile bir birlerinden ayrıl ırlar.

Kimyasalların farkına varılması Le Bel ve van’t Hoff gibi f izikokimyacıların on dokuzuncu yüzyılda

açık düşüncelerini ortaya koyan üç boyutlu varlıklar ile olmuştur. Gerçekten vvan’t Hoff ’un başarı l ı

modelleri Fisherin’ in enzimlerin birbirinden ayrıla bil irliği, daha güç seviye lerdeki moleküler şekiller

arasında orijinal anahtar-kilit i lişkis inin varlıl ığını açıklamasında esinlenme kaynağı olmuştur.

Gerçi enzimlerin aktivitesi için bu iskelet yüz yıllık zaman içinde sezgisel anlaşılan yapıdan öncü

biyokimyayı detaylandıran birço k deney ve analizle bugünkü yerine gelmiştir .

Doğal olarak bu üç boyutlu kimyasallar fikri bu düşüncesinin yavaş

yavaş benimsenmesi için uygun bir kavrama şeklidir. Daha önemlis i

ayırıcı özell iklerin eşsiz şek lin temel alarak açıklana bileceğidir ve

uygun şekillerin direk kanıtının gözlenmesi zor olmuştur.

Moleküllerin çok küçük olan şekli ve zor yapıların belirlenmesini

mümkün kılar. Gerçekten moleküler yapıların çoğu durumda

belirlenmesi zordur ve geçmişte bu sınırlama daha yaygındı. Üç

boyutlu yapıda b ilgi vermenin avantajı moleküler biyoloji ve

yapısal kimyada daha fazla yapının belirlenmesine güç katarken

bunun önemi daha gözle görülür hale gelmiştir . Yapısal bilginin

daha anlaşıl ır , ilginç örneği Lysozyme enzimi araştır ılması

hikayesi ile verilebil ir . Bu örnek yine bilimsel araştırmanın farklı alanlar arasında etkileşimin

sonucunda uygun yararların ortaya çıkacağını yansıtmaktadır. İlaç, kimya ve kıristagrofi Fisher’in

moleküler ‘kil it ’ ine ilk gözlemi yapmak için bir araya gelmiştir .

Tıp zincir reaksiyonları oluşturan bakteriyolojik enfeksiyonlar için tedavi geliştirmeye ihtiyaç

duymuştur. Bakteriyel hastalıklar tarihimizin başından sonuna çoğunluğu insanlar için öldürücü

olmuştur. Bugün bu gibi enfeksiyonlar antibiyotiklerle rutin olarak tedavi edilme ktedir. Bizim

modern antibiyotiklerden faydalanmamız 1929 Alexander Fleming ile başlar, burada penisil ini

bulmuştur, bir bakteri kültürü kalıbına kazayla penesilyum bileşiği dökülmüştür. Antibiyotik

bileşikler için uzun zaman araştırmalar yapmıştır ve tedavi edici ilaçlara eklendiğinde enzim etkisi

gösterdiği keşfedilmiştir . 1922’de Dr.Flaming burun sıvıs ının bir enzim bileşeni olarak lysozyem’i

keşfetmiştir , bu madde bakteri kültürlerine karşı aktif bir maddedir. Lysozyem bu şekilde

isimlendirilmiştir çün kü çözünebilirl iğini veya lyse bakterisinin varlığında anti bakteriyel miktar

göze çarpıcıdır, bakterinin daha öldürücü formlarına karşı etkisizdir. Lysozyme bulunmuştu ama

gönüllü hastaların da içinde bulunduğu çoğu yaşayan dokuda etkisizdi. Sonunda enzi min özel uygun

bir kaynağı beyaz yumurta tavuğunda bulu ndu. Çoğu protein molekülünden farklı olarak Lysozyme

çıkarılması , temizlenmesi ve kristallendirilmesinin doğruluğu ortaya konulmuştu ve bu sonuçlar

makro moleküler kıristagrofi bil iminin ortaya çıkması için mükemmel bir aday sağladı. Dahası yapı

içindeki benzer pozisyonlardaki bileşiğin ağır atomların değiştirilmesi ile kristallerin hazırlanmasını

mümkün kılmıştır , bunun yapılması lysozyme moleküllerinin atomik elektron yoğunluğunun kır ınıma

uğrayan X-ray haritasının doğru yapılanmasıyla mümkün olmuştur.

1962’de Lysozyme bunun ardından belirlenen i lk enzim yapısı

olmuştur. Lysozyme molekülleri bu bölümde göreceğimiz

moleküllerden yaklaşık 1950 atomla çok büyüktür. X -ray

kırınım çizgilerinin yüzlercesinden onların elektron yoğunluğu

haritalarının belirlenmesi hayretle bakılan bir kahramanlık

olmuştur. Bu iş David Pil is ve çalışma arkadaşları tarafından

Büyük Bititanay Royal akademisinde yapılmıştır .

Soldaki resim lysozyme enziminin tek bir molekülün e aitt ir .

Molekül 1950 atomdan oluşmaktadır. En üstteki resim

lysozyme’un tümünün hidrojenlersiz halidir, fakat molekülün

mimari yapısı zorlayıcıdır . Yine soldaki resim lysozyme enziminin polipeptit omurgasının boru

şeklidir. Alttaki şekil lysozyme’ın alf a sarmal kıs ımlarını kırmızı sil indirlerle görünür yapan şekildir.

Son keşfedilen yapı enzim ve bağlı sakkarit substrat arasında

yapısal kompleks ile oluşturulmuştur. Lysozyme iki şeker

molekülü arasındaki kısmi bağlantıyı yararak bakteri hücre

duvarlarının parçalanmasını katalizler. Bu reaksiyonun

anlaşılması Fisher’in anahtar -kilit temel hipotezi ile doğru

şekilde gösterilmiştir ve enzimin nasıl verilen bir molekülün

doğal reaktif kısımlarını belirleyebildiğinin ve moleküle özel bir

etkiyi nasıl yapabildiğini göstermektedir. Enzimler doğal

katalizörlerdir. Modern arabalarda iç yanmanın istenmeyen

ürünlerini oksijen ve hidrojeni salığa az zararlı kimyasallar

haline bir araya getiren katalitik konvektörlerinde olduğu gibi yaşayan organizmalardaki yürütüle n

kimyasal değişimlerin hızını enzimler artırır . Lysozyme durumunda

ise bu reaksiyon hidrolizdir, eklenen suyun parçalanması veya şeker

molekül zincirindeki iki şeker molekülünün ayrılması gibi. Bu

reaksiyon istenirse kuvvetli asit eklenerek de katalizlenebil ir .

Gerçekten nişasta kullanışlı şeker moleküllerine endüstride bu

şekilde çevrilmektedir. Fakat derişik asit korrozift ir ve

laboratuarda taşırken dikkatli olunmalıdır ve yaşayan

organizmaların nükleoik asit , protein gibi moleküllerine atak

ederek hayat i riskler yaratabilir . Yaşayan organizmanın istediği

şey istediği hedefi veya substratı özel olarak katalizlemektir .

Lysozyme enziminin aktif bölgeleri kesin uyumlu şekilde

kendiliğinden mükemmel asit katalizli reaksiyonu ortaya

koyacaktır. Moleküller ki l itlenme olmadan güvenli şekilde

parçalanmış olacaklardır. Enzim sakkarit molekülleri

tarafından sıkıştırı ldığı durumda, moleküler yapıda, istenilen

parçalanmış ürünlerin oluşumunu sürdürecektir. DNA veya

hormonlar gibi diğer moleküller lysozyme’in aktif b ölgelerine

tutunmazlar ve böylece bakteri hücre duvarlarının belası olan

asit nedenli parçalanmadan korunurlar.

Lysozyme molekülünün ve bakteri sakkarit molekülünün tescili soldaki resimde gösterilmektedir. Bu

resim üstelik artıkları, özel amino saitleri , lysozyme aktivitesi için uygunluğu ortaya koymaktadır.

İlk aktif amino asit bir asidik guruptur, lysozym z incirinin otuz

beşinci amino asid i aspartam dır, sakkarit z inciri resimde sarı

ile gösterilmiştir .bu amino asit soldaki resimde sakkarit zincir i

ile bağlantıl ı boşluğa tutunmuş bir tarafta yer alır . Artakalan

otuz beş araştırmalarda inanılan amino asi din reaktif olmayan

kısmı ile çevrilmiş olduğudur, enzim için normal çalışma

şartlarında iki şeker molekülü arasındaki bağlantıyı kırması bu

asidite şartlarında bu amino asit için zor unludur. Enzim

çatlağının karşıt taraflarında negatif amino asit tarafı

zincirleri vardır(bunlar şekilde görülmektedir). Şekere asit

tarafından saldırma olunca pozitif yüklü hale gelir ve ikinci kısım zincir oluşan moleküler varlıkla

kararlı laşırken katalit ik reaksiyonun parçalanma ürünleri yeniden düzene girer. Enzimin kurnaz

moleküler mimarisi yüzünden enzim bakteri duvarları yarıklarına bozulmadan kararlı halde

geçebil ir ve yabancı hücrelerin yı kımını destekler.

Lysozyme molekülünün katalit ik özell iklerinin dikkatli deneysel incelemesi ve katalitik

mekanizmanın aralığının belirlenmesi emsalsiz modernleşmeye katkılı olmuştur. İlk zamanlarda

moleküler kıs ıtlamanın anlaşılması mümkün olmuştur ve yaklaşık denge sağlayan fonksiy onel

guruplar hücre ve organizmaların moleküler inşası ve parçalanmasında doğal olarak

kullanılmaktadır. Bir çok katalit ik mekanizma dikkatli deneysel araştırmalar ve atomik detayların

benzer seviyelerde çalışan kıristografi i le açıklanması yapılmaktadır. Fisher’ in anahtar ve kil it

hipotezinin aşırı şekilde doğruluğu gözlenmiştir . Göreceğimiz şekilde makro moleküllerdeki alıcı

bölgeler ile bir molekülün anahtar benzeri etkileşimi bu reseptörün gerçek yapısı hakkında direk bir

bilgi oluşturmazken çoğu molekü lün özell iklerinin anlaşılmasında aşır ı değerli bir yol ortaya

koymuştur.

Bugünkü deneysel tekniklerle açığa çıkarılan yapılar bir

çok molekülü yaklaşık olarak tasvir etmiş ve uzun zaman

zarfında bunları açığa çıkarmıştır . Üstelik varoluşun

durgun görünüşü fazla basit leştirmedir. Moleküller, su

moleküllerinin dinamik denizlerde taşınması gibi aktif

bölgelere ve oradan da başka yere difüze olabilirler.

Proteinler ve enzimatik reaksiyonların hızlarının dikkatli

ölçülmesi tam olarak oluşturulan enzim yapılar ında gözle

görülür bir esnekliğin varlığını göstermiştir . Gerçekten

bilgisayar simülasyonları onların kaplamaları ve onların

moleküler anahtarları uygun şekilde kucaklamaları

Fisher’in moleküler kil itlerinin esnekliğini göstermektedir.

Soldaki resim 10 - 1 2 saniye zaman periyodunda lysozyme

enziminin aktif bölgesindeki sub sutratın s imülasyonunu

göstermektedi

Şekil 74 Aspirin Şekil 75 Paracetamol

Şekil 73Buprofen

KİLİT VE ANAHTARLARIN BİNLERCESİ

Bir önceki bölümde gördüğümüz gibi yaşayan varlıklar makro moleküler düzen ve dü zensizliklerin

karışık bir sıralanmasıdır. Her bir protein bir organizmanın genetik kodunun planının kopyasından

inşa edil ir . Yiyecek moleküllerini enerjiye çeviren protein molekülleri organizmanın bütün bilgis inin

taşınmasında yardımcıdır ve isti lacı para zit hücrelerine karşı koruma sağlar. Yaşamı oluşturan

moleküler düzenlemeler yüksek derecede karmaşıktır ve birbir ine bağlıdır. Bu bileşen proseslerin

yönetimi yaygın kimyasal i letiş imi sağlayan zor bir iştir . Elektriksel sinir impulsları nerotransmiter

olarak bil inene küçük moleküllerin moleküler arabuluculuğu i le hareket ettir il ir . Düşük aciliyetteki

kimyasal mesajlar bir düşmandan kaçışta gerekli enerjinin aniden salınmasını ve büyümeyi kontrol

eden kan dolaşımındaki hormon moleküllerinin konsantrasyonun daki dalgalanma mesajlarını taşır.

İnsanların gelişt iği gibi şunları öğrenmişlerdir.

Yiyeceklerin sağlamasında bitkiler ve hayvanlar tarafından

yapılan moleküllerin bazıları büyümede önemli etkilere

sahiptir. Alkol mesela binlerce yıldır bilinir (biyoki mya

endüstris inin i lk ürünlerinden biridir) beyindeki sinir

impulslarının normal geçit leri i le etkileşir , onun bize etkis i

için değişen değerlerde ve küçümsenen bir yaklaşım

sergileriz . Organizmaya herhangi bir etki yapan kimyasala

ilaç deriz. Bazı ilaçlar çanlının ruh durumunu ve onun

alıcılarının davranışlarını etkiler ve diğer etkileşimler

organizmaların ist ilasında bakterilerin öldürülmesinde

mesela insan sağlığını korumada daha kuvvetli olur. İlaç

molekülleri enzimler ile etkileşir ve diğerleri özel bir yanıtı

kışkırtmak veya yatıştırmak için bir organizma ile

kavrayıcı moleküler bölgelerinden etkileşime girerler.

Gerekli olan yanıt antibiyotiklerin durumunda olduğu gibi

bakterinin yıkımı olabil ir veya yatışt ırıcılar durumundaki

gibi sinir aktarımını ya vaşlatmak olabil ir . Benzer etkileri

yapan farklı moleküller arasındaki benzerlikleri

anlayarak yeni ilaç olanaklarını keşfetmenin karlı

yollarını sağlayabilir iz.

Aspirin molekülünün yapısı ibuprofen ve parasetemolün

yapıları ile beraber solda görülmekted ir. Aspirin 1899’da

söğüt ağacının kabuğunda bulunan bir bileşikten

keşfedilmiştir . Onun acı azaltıcı kaynağının prostaglandin

molekülünün bir sınıfının sentezi ile bunu engelleye

bildiğini bil iyoruz , bu acıya yol açan değişik dokulardaki

tutuşma durumundan ortaya çıkarılmıştır . Yukarıdaki

resim uzaydaki gösterimde aspir in, ibuprofen ve

parasetomol moleküllerini ağrı kesici olarak

göstermektedir. Bu moleküllerin yapısal benzerliklerini

görebil iriz. Bunların her üçü alt ılı halka yapısına

sahiptir ve suyun polar çevresinden sakınma

eğilimindedir. Atomların oldukça küçük eklenmiş

gurupları bu reseptör moleküllerinin parçalarıyla bağ

yapabilmektedir. Bu moleküllerin yapılarındaki

benzerlikler açıkça görülmüştür ve onların

benzerliklerinden ağrı kesici hareket leri ortaya

çıkartabil iriz. Gerçekten belirlenmiş aktif bölgelerin

detaylarından önce bunları aktif bölgelerin benzerliği

içinde toplayabilir iz. Bu bilgi ilgil i bileşiklerin

aktivitelerini anlamamızda ve deneysel olarak analiz

edilen yeni bileşiklerin dizaynında kullanabilir iz.

Şekil 76 Arachis

Şekil 78 Prostaglandin H2 synthase-1

Şekil 77 Salvarsan

Gerçekten bu üç ağrı kesici molekülün reseptör bölgelerinin yapısı protein kıristografisi tekniği

kullanarak belirlenmiştir . Prostaglandin H2 sentez -1 bu yapıdaki gibi çok büyük moleküller olarak

bil inir. Bu beş bin civarında atom ve çevrilen uzun asit z incir leri , iki farklı aktif bölgesi bulunan

azdırıcı prostaglandin içinde arasiodonic asit içerir. Reseptörün kıristal yapısı hücre membranının

polar olmayan çevresinden molekülün aktif bölgelerine ulaşmada genel halkalı yapıya ihti yaç duyan

ağrıkesici ilaçlarda açığa çıkar . Ağrı kesicilerin aktif bölgeleri ağrı oluşturan moleküllerin aktif

bölgelere uzanan kanallarının amino asit yönündeki zincirleri ile etkileşimde bulunarak ağrı

oluşumunu inhibe etmeyi başarır.

Öncelikle gerçekleşen sentetik kimyasallar ilaç

numunelerinin boyanmasında yenice keşfedilmiş

moleküler boyaların kullanımının büyüyen medikal

uygulamalarında kullanılmıştır . Bu sentetik

organik boyalar tekstil endüstrisinde devrim

yapmıştır ve mikroskopta izlemek için ör nek

hazırlamada bir hücrenin farklı bölgelerinin

gösterilmesinde değerli hale gelmiştir . Boyalar

farklı biyolojik maddelerin farklı kıs ımlarına

bağlanırsa bazı boyalar ve ilişkili bileşikler bakteri

hücrelerini hedef al ır ve onları parçala r. Bakteri

öldürücü bileşiklerin araştırılmasındaki hız

Fischer’in anahtar kil it hipotezindeki

derin inançtan değil ama pragmatik

deneysel gözlemlerden gelir . Paul Ehrlich

1910’da araştırmaların bir çizgi üzerinde

başarılmasını amaçlayan ve yaygın

uygulamalı kimyada ve t est

prosedürlerinde bunu başaran ilk

kimyacıdır. Arsenik temell i bir ilaç o an

Salvarsan uyku hastalığı ve frengi gibi

hastalıklara karşı etkindir. Salvarsan

bakteri hastalıklarının tedavisinde

başarı ile kullanılan, temel bakteri

enfeksiyonları hala etkin şekilde tedavi

edilememektedir. 1920’lerde Alman boya

şirketi I .G. Farbenidustriel ’de (sonra

BAYER ve Hoechst oldu) çalışan Gerhard Domagk

medikal uygulamalarda boyaların kullanımının

mümkün olan kısımlarını kullanmak üzere

araştırmalar yapmıştır . 1932’de

Domagk özel bir boya keşfetti, Prontosil deri

boyaları arasında geliştir ildi streptokoksak

bakterisi i le enfekte olmuş farelerin tedavisinde

etkil i olmuştur ve özell ikle önceden denenen bir çok

bileşikte olduğu gibi hayvanda herhangi bir hasar

görülmemiştir . Domagk basit bir yaradan

streptokoksak enfeksiyonu ile hastalanan kendi

kızına ölmeye yaklaştığı sırada uyguladığı

araştırmayla tedavi etmiştir ve çalışmalarının

önemini kavramıştır . Prontosil in enfeksiyon

hastalıklarının tedavisinde etkil i olmuştur . Domagk

1935’te çalışmalarını rapor etmiştir ve Protosil gibi

bil inen sülfür temell i i laçlar yaygınca kullanılmıştır .

Ehrlich gibi Domagk anti bakteriyel ilaç araştırmalarında benzer boya molekülleri i le çalışmaya

karar vermiştir çünkü boyalar mikrosk opta rutin olarak kullanıma uygun ayırı edici boyama

Şekil 81 Prontosil

Şekil 79 Folic acid

Şekil 80 PABA

özell ikleri sergilemektedirler ve bu bir organizmanın bazı

bölgelerinin özell iklerini moleküler seviyede hedef alına

bileceği manasına gelir . Gerçekten Domagk kendil iğinden

kompleks yaşayan organizmalar içindeki özel hücreleri

öldürmede ve seçici olarak hedef almada özel si lahlar

geliştirmek için sentetik ilaçları tercih etmiştir . Bu i laçlar

gözle görülür etkileri başarmada nasıl çalışırlar?

Sülfonamit ilaçları bakteri hücrelerinin DNA’larını inhibe

eder ve bakterilerin çoğalmasını önlerler. Memelilere

benzemeyen bakteri hücreleri bulunduğu yede folik asit molekülleri sentez ederler ve bunu inşa

etmeye parabenzoik asit yaparak başlarlar(PABA). Prontosil ve PABA’nın karşılaştırmalı yapıları

temel kimyasal doğaya sahip olan ilaç moleküllerinin bir parçası olduğunu gösterir ve gerçekten

ilaçlar folik asit üretimini katalizleyen aktif bölgelere sürekli bağlanarak çalış ır . Folik asid in

bakterilerce sentezi bloke edilir ve sonuçta bakteri oluşumunun duraklatılması sağlanır. Folik asit

insan organizması için hayatidir, fol ik asit insan vücudu tarafından sentez edilemez bunun yerine

bir vitamin olarak bizim yiyeceklerimizin bir kısmını oluşturması zorunludur. Prontosil varlığında

bakteri folik asit sentez edemez ve onun bulunduğu sıcak ortamda buluna bilecek olan folik asit de

kullanılamaz çünkü bakteri hücre duva r larından folik asit moleküllerinin geçe bilmesi için bir

yöntem gelişt iremez. Böylece sülfür içeren ilaçlar bakteri hücrelerini öldürebilir ve medikal etki n

silahların altında yatan kimyasal etkileşimlerin doğru düzenlenmesiyle insanlar bu maddelerden

etkilenmez.

MOLEKÜLLERİN TATLANDIRICI ŞEKİLLERİ

Tadın olması besleyici moleküllerin ve zararlı olabilecek

olanların algılanmasında organizma için ihtiyaç duyulan bir

özell iktir . Daha önce tartışt ığımız gibi moleküllerin

yapısının belirlenmesi bilimsel araştırma takımları için zor

bir görevdir ve bu iş herkes için rutin hale gelmemiştir . Çoğu

zehirl i molekülün tadı acıdır ve çoğu besleyici yiyeceğin tadı

tatl ıdır. Tad moleküller arasında ayrım yapmak için etkin

bir mekanizmadır. Solda syklamat, aspartam ve sakkarinin

yapısı görülmektedir. Yine bunların yapısı birbirine

benzerdir. Gerçekten bil im insanları tadın moleküllerin

şeklinden ve yüzeylerindeki elektronik yük dağıl ımından

çıkabileceğini önermişlerdir. Şeker tadındaki bil leşiklerin

zorunlu bileşeni hidrokarbon iskelete tutunmuş iki oksijen

atomu gibi elektron çekici atomların yaklaşık ayrılmış

çiftlerinin merkezde bulunduğu yapılardır. Sukroz yapay

tatlandırıcı olarak iş gören maddelerdeki atomların çeşitl i

düzenlenmelerini yapısında bulundurur. Ama şu anda

gerçek yapısı bilinmeyen tat reseptörleri farklı tat

potansiyeline sahip moleküller arasında ayrım ya pmada

fevkalade başarılıdır. Tatlıl ığın algılanması basitçe tatlı

moleküllerin ayna görüntüsüne sahip moleküllerle

bombardıman edildiğinde bazen çağrış ım yaptırmaz.

Şekerli yiyecekleri tattığımızda buradaki yaklaşık

şekillendirilen moleküller çok ayırd edi ci olan tat

tomurcuklarındaki reseptörleri etkiler. Tatl ıl ığı algılayan

reseptörler tat molekülleri ile ilgili olarak tatları bir birine

çok yakın olan molekülleri de içeren genel yiyeceklerdeki çok

çeşitl i kimyasal yapılar arasındaki farkları algılayabili r ve yalnızca doğru şekildeki moleküller için

memnuniyet hiss i verirler . Bir diğer noktada tadını aldığımız tatlı moleküllerin reseptörlerin

lisanında atomların üç boyutta özel düzenlenmeleri ve onların elektron yapılarına verdiği yanıtları

unutmaması gelir . Bu şekilde bir molekülün şekli onun tadı olacaktır. İlginç şekilde yunan f ilozof

Demokritus 400 BC civarında maddelerin tadını onların bileşen parçalarının şeklini yansıtt ığını

Şekil 1 Siklamat

Şekil 2 Sakkarin

söylemiştir . Demokritus modeli hamdı ve şunu önermişti ‘asidik parçacıklar s erttir ve onlar saldırgan

olarak nitelendirilir ve şekerli maddeler yumuşaktır’ , ama

bu prensibin çalışması ilginç şekilde doğru olmuştur. Buna

karşın bu konuda yoğunlaşmış kimya algılanan tatlar

olarak yaklaşık şekerli gıdalara benzeyen ama kalori

açısından bir kaç kaloriye sahip moleküller sentezleye

bilmektedir. Bunlar insan me tabolizmasının işleyişinin

birinci kaynağında bulunan yapı için aldatıcıdır ve

çevrilebilecek bir enerjinin olası olmadığı bir durumu

yaratırlar.

Solda görülen resim soğuk algın lıklarında görülebilen bir

virüsün yapısını göstermektedir. Yapısı bil inene insan

gergedan virüsü genetik bilgi temelli nükleoik asidin tek

bir sarmalla çevrilen kümelenmiş protein molekülünden

oluşmuştur. Virüsün tam yapısı büyüktür, on binlerce

atom içer ir ve zırhlı yapısı çoğunlukla küreseldir. Virüs

yüzeyinin genetik materyali büyük nükleoik asit polimer

molekülünün aktarımı ve korunmasını da kapsayabilecek kat ı

koruyucu muhafazayı nasıl sağladığı bir problemdir. Bir

aminoasidin kodlanması dört bazı içerir. Bu bilgi taşımanın

tamamını muhafaza etmede yeterince büyük olan bir protein

için kod molekülleri olması imkansız gibi görünmektedir.

Bakteriler, büyük virüsler ve yüksek organizmalardaki bu

problem enzim katalizinin meyvesi olan membranı

kullanarak çözülmüştür, ama yine gergedan virüsü genetik

materyali bir enzim için bilgi taşımada çok küçük

kalmaktadır. Çözüm basit bir kurnazlıktır . Büyük kompozit

yapı içinde simetrik üç boyutsal bir pazıl gibi mükemmel

şekilde bir araya gelmek üzere dizayn edilmiş , kurban

hücrenin proteinden yapılmış araçlarını kullanarak kendi

proteinini oluşturur. Bu süper yapı bir

düzgün yirmi yüzlüdeki 60 protein

molekülünden oluşur. Düzgün yirmi yüzlü

bir küp gibi düzgün çokgendir ve yirmi eşit

üçgen içerir. Virüsün düzgün yir mi

yüzlünün her üçgensel birleşeni üç protein

molekülünden oluşur. Protein zırh

molekülleri bu genetik bilgi deposunu

korumada kilit ve anahtar topluluklarını

dengesiz olarak bir arada tutar. Yapının

her birine değme noktasında virüsü

oluşturan yapılar yakınındaki diğerleri ile

kuyruk oluşturur.

Virüslerin kendilerinin kopyalamasını

oluşturmada anahtar kilit uyuşumunu

kullanması gibi ev sahibi hücrenin

bağışıkl ık sistemini yenilgiye uğratma ve

hedef hücreye saldırmada da bu prensibi

kullanırlar. Yukarıdaki resimde açıkça görüldüğü gibi bu virüsün zırhının pürüzsüz olduğu manasına

gelmez. Burada bulunan moleküler seviyedeki çatlak bölgeleri tepeler ve vadiler gibidirler. Bunun

dış ına dönersek bireyin başarılı şekilde enfekte olduğu durumda virüs gelişimindek i gibi bunların

birleşimi hızlı şekilde değişen sınır alanlarında geliş ir . Bunun için şüphelenilen virüsün bağışıkl ık

sistemini yanıltmada bukalemun gibi renk değiştirebilmesine izin vermektedir. Aksi halde

organizmanın savunma sistemiyle karşılaşır.

Şekil 3 Aspartam

Şekil 82 Sukroz

Şekil 83 Bir virüs

Virüslere karşı anti-badilerin geliştir ilmesi ve özelde yüksek değişebilir bölgelere sahip virüsler

imzalarını büyük şekilde değiştirebilirler ve sürekli olarak tanınma giriş iminde bulunulurlar. Virüs

zırhının çeşitl i kısımları değişebil irken vadilerin aminoas it dizis i gözle görülür derecede sabitt ir .

Algılandığı şekilde yorumlarsak virüs konak hücrenin yüzeyine moleküler kilit lenme yaparak ilgili

bölgeye tutunurlar. Çoğu moleküler biyolog ve farmakolog bu anahtar ve kilit hedefini bulundura n

imha edici i laçlar üzerinde çalışmaktadır . Virüsün zırhını oluşturması, kurban hücreye yerleşmesi ve

yakalanmaktan kaçınması çoğu alandaki bilginin etkin şekilde açıklanması ve tam prensipler içinde

iyi şekilde denenmesi yapılmalıdır.

Yüksek derecede yırtıcı olan virüsler avlarının savunmalarına da adapte olabilmektedirler. Çoğu

virüsler s ıkl ıkla kendi dış organlarını değiştirmektedirler ve korunan bölgeleri bağlamında

hedeflerini ararken hatasız ve belirlenemeyebil irler. Bundan sonra sonuç çıkarırsak onl arın hedefleri

hücre membranın yüksek derecede korunan bazı bölgeleridir. Bir genden daha fazlasıyla kodlanan

bir yüzey bölgesi belki bir organizma geliş irken yavaşça bu yapıdaki aşır ılıklar değişir . Virüsler

korunan hastalıkları sömürebilmektedirler ve bazen yapısal bozuklukları avlayarak boşluğa

düşmekten sakınırlar. Virüs zırhının korunan bölgeleri tabiatta var olan zayıfl ıklarıdır. Bir anti viral

ilacın genell ikle soğuk algınlığında oluşan virüslerin bu zayıf alanlarına bağlandığı görülmektedir.

Bakteriye nazaran virüslerin basitl iği yaşamın ilk moleküler çoğalmasında yüksek yapılara adımlar

atarken bunların uzantılarına sebep olmuş olmalıdır. Hücrenin oluşumuna bağımlı olan virüsleri bu

şekilde özelleşmiş hale gelirler. Bir virüs ist ila etmek ve sömürmek için önceden olm uş bir hücreye

ihtiyaç duyar ve bu şekilde bir hücre olmaksızın çoğalamaz. Virüs basitt ir ve muhtemelen daha

gelişmiş yaşam formlarından önce ve onların civarında gelişmişlerdir.

MOLEKÜLLERİ YAPILANDIRAN

ZİNCİRLER VE BAĞLANTILAR

Bazı atomik birliktelikler basittir. Gördüğümüz gibi

hidrojen atomları moleküler yapıda (H2) diğerlerine

bağlanmıştır. Su molekülünde (H2O) hidrojen atomları oksijen

atomlarına bağlanmış şekildedir. Hidrojen amonyakta (NH3)

azota ve metanda (CH4) karbona solda görüldüğü şekilde

bağlanmıştır. Karbon monoksit (CO) ve karbondioksitte (CO2)

oksijen karbonlara bağlanmıştır, solda görülmekte. Bunlar ve

daha birçok küçük molekülleri temel alan başka bileşik gayet

önemlidir. Örneğin; su bizim vücut ağırlığımızın % 80’ini

sağlar ve metan yaygınca kullanılan bir yakıttır (doğal gazın

temel bileşenidir).

Çok küçük moleküllerdeki mimari özellikler zorunlu

olarak sınırlıdır. Kompleks yapıların elde edilmesi için bunlar

arasında basit oyunlar oynaya bilmekteyiz. İlki zincir

oluşturmaktır. Buradaki bağlanmada çok geniş olarak

kullanılan element karbondur. En basit karbon zincirli

bileşikler parafinlerdir. Karbona bağlı hidrojen atomları ve

karbon zincirleri aşağıda görülmektedir.

Zincir şekilde görüldüğü gibi düz veya dallı olabilir.

Şekil 1 H2, H2O, NH3 ve CH4

Şekil 2 CO and CO2

Dahası uzunluklarında kısıtlamalar yoktur ve oluşan

bileşiklerin özellikleri uzunlukla değişir. 2,3 veya 4 karbonlu

parafinler normal şartlarda gazdırlar(çoğunlukla yakıt olarak

kullanılırlar). 5’ten 8 karbon atomluya kadar olanlar uçucu

sıvılardır(petrol/gaz yağı bu aralığı kapsar).

Zincir uzunluğu arttıkça sıvı daha viskoz hale gelir ve en

uzun zincir (yaklaşık olarak 20 karbon atomludan fazlası) için

mumlaşma ve tarlar oluşur. Bu basit ve açık zincirli bileşikler

mat yapıdadırlar ve yinede modern toplumda önemli yerleri

vardır. Moleküllerde bulunan ve yakıt olarak kullanılmalarının

temelinde olan enerji havadaki oksijenle reaksiyona

girdiklerinde salınabilir.

Zincirli moleküller modern kimya endüstrisinde yaygınca

üretilir. Gerçekten bu gün çokça kullandığımız plastikler ve

fiberler polimerlerdir. Atomların küçük bir gurubu olan temel

birimleri içeren zincirler yüzlerce ve binlerce kez tekrarlanırlar.

Yine oluşan maddenin özellikleri zincir uzunluğuna bağlıdır.

Tipik önemli polimerler solda görülmektedir.

Polimer zincir molekülleri tabiî ki sıvılar ve katılarda bir

araya toplanmışlardır, bu konuya tekrar döneceğiz. Polimerler

arasındaki kimyasal etkileşimin ilgi çekici bir formu ‘çapraz

bağlanma’ dır, burada bir polimer zincirinden bir atom diğer

polimer zincirindeki atoma kimyasal bağla bağlanır. Bunun

tipik bir örneği burada görülmektedir.

Bu gibi prosesler polimerlerin fiziksel ve kimyasal

özelliklerini dikkat çekici şekilde etkilemektedir.

Çok karmaşık olmaktan öte, ilgi çekici ve önemli zincir

molekülleri yaşayan maddelerde de bulunmaktadır. Gerçekten

yaşayan maddeler tam ve özel kimyasal ve fiziksel görevler

için dizayn edilmiş zincir moleküllerinin mükemmel sanatıdır.

Dahası yaşayan maddelerde kullanılan atomların

halkalı yapılarını tekrar görmekteyiz. Örneğin hayvanlar ve

bitlilerin temel yakıtı olan şeker moleküllerinde gösterildiği

gibi karbon ve oksijen atomlarının halkalı şekilde oluşur.

Kompleks maddelerin elde edilmesinde bir başka

strateji iki ve üç boyutta uzatmaktır. Bu gibi yapılar atomik

seviyedeki mimaride göz önüne alınacaktır. Bu arda

moleküler mimarinin anlaşılmasının bazı kazançları da

vardır, bir başka önemli soru ‘moleküller bir birleriyle nasıl

etkileşime girerler’ dir.

Şekil 4 Tipik polimer yapıları.

Şekil 5 Çapraz bağlanma.

Şekil 6 Halkalı yapılar.

Şekil 7 Şeker yapıları.

Şekil 3 Parafin molekülleri.

MOLEKÜLLER ARASI KUVVETLER

İki veya daha fazla atom veya molekül bir araya geldiklerinde kimyasal bağ oluşturduklarını

görürüz, çünkü; elektron yük bulutları etkileşir ve çok dış pozisyondaki elektron yoğunluğu yeniden

yapılanır. Moleküller etkileştiği zaman ne olmaktadır? Tabiî ki önce reaksiyon yaptıklarını

görüyoruz, bağlanan komşular arasında elektron bulutunun yeniden düzenlendiğini ve atomların

yeni çiftler bulduğunu görürüz. Yeni moleküller oluşmuştur. Fakat yeni kimyasal ba ğlar

yapmadıklarında da moleküllerin birbirleri i le etkileşimde olduklarını görürüz. Bu bağ oluşturmayan

ve kimyasal bağlardan daha az heyecan verici etkileşimler eşit düzeyde önemlidir ve doğadaki çok

önemli kuralları düzenlemektedirler.

Şimdi bu etkileş imleri t ipine ve kökenine bakalım; bunların ilki ve basit i bağ yapmayan itmelerdir.

Eyer iki molekül bir bir ine çok yaklaşırsa her biri diğerini itecektir, her iki çekirdek ve elektron

birbiriyle karşı karşıya gelecek ve her biri diğerinin aynı kısmına bas kı yapacaktır. Asl ında bu itme

moleküller bazında tanımlanmıştır , çünkü; bunlar diğer atom ve moleküllerin dışar ıda tutulduğu bir

molekülün çevresini kapsayan boşluklar olarak tanımlanmışlardır.

Moleküller arasındaki bağ yapmayan çekimler iki temel çeşitt ir . İlki moleküldeki atomların genel

olarak önemli yüklere sahip olmasından çıkar. Bir moleküldeki pozit if yüklü atomlar ikinci

moleküldeki negatif yüklü atomları çekeceklerdir. Bu etkinin klasik bir örneği hidrojen i le

oksijen,azot ve flor gibi (yüksek el ektro negatif) atomlar arasında bağ bulunan moleküller söz

konusu olduğunda görülür . Kendilerine doğru yükleri çeken elektronegatif atomlar pozit if olarak

yüklenmiş hidrojen atomları ile polarize bir bağ verirler, bu hidrojen atomları farklı moleküllerin

negatif yüklü atomlarına doğru bir çekim duyacaklardır. Bu moleküller arası çekici etkileşim

hidrojen bağı olarak bil inir. Doğanın en önemli kuvvetlerinden biridir. Gerçekten hidrojen bağı

olmadan bizim bildiğimiz dünya ve yaşamımız mümkün olamazdı. Bu bağ su molekülleri arasında

görev yapan temel kuvvettir ve suyun gaz olmasındansa sıvı olmasındaki temel sebeptir, öyleki

hidrojen bağı olmadan okyanuslar da olmazdı. Sonra göreceğimiz şekilde bu kuvvet proteinlerin

kimyasının ve DNA’nın varlığında fevkalade b ir rol oynamaktadır, öyleki hidrojen bağı olmadan

yaşam olmayacaktı .

Diğer çekici etkileşim yapıları daha anlaşılması zordur ve elektronların hareketleri arasındaki

kolerasyon ve fazın özel bir çeşidinden ortaya çıkar. Eğer klasik f izik kapsamında kendimiz e atomları

ve molekülleri düşünme izni verirsek, çekirdek orbitallerindeki elektronları hayal edebil iriz. İki atom

veya molekül her bir i diğerine yaklaşırken bu adımdaki eğilimde hareketlerin bir faz içerisinde

toplanmasını bekleyebil iriz. Bu gibi fazlar v eya paralel hareketler bir başka atomdaki çekirdeğin

görüş alanında bulunan elektronların çekim yaratmasına müsait olur. Bu kuvvetler dağılımsal

etkileşimler olarak bilinirler ve tüm moleküller arasında görev yaparlar. Bu gibi dramatik olmayan

doğalara karşı yinede katıları bir arada tutan birçok temel etkileşim büyük öneme sahiptir.

KARMAŞIK ATOMLAR

Hidrojen en basit atomdur. Daha kompleks atomlar nasıl farklıdır? Bu soruya cevap v erir iken

çekirdeğin doğasına daha dikkatli bakmalıyız . Çekirdeğin kendisiyle karşılaştırıldığında çok küçük

parçacıklar olan proton ve nötron benzer kütleye sahiptirler. Protonların her biri pozitif elektriksel

yüke sahip olmalarına karşın nötronlar yüksü zdür. Protonun yükü tam olarak elektronun kine eşit

ama zıt işaretlidir (elbette doğada daha temel birimsel varlıkların ipuçları bulunmaktadır). Bir atom

doğal bir varlıktır ve bu yüzden çekirdekteki protonlar kadar negatif yüklü elektronlara sahip

olmalıdır. Farklı atomlar çekirdeklerindeki proton sayılarıyla s ınıflandırılırlar; hidrojen atomunun

çekirdeği bir protona sahiptir ve nötral atomu elde etmek için bir de elektrona sahiptir. Helyumun iki

proton ve iki elektrona sahiptir, l ityum üç proton ve üç el ektrona sahiptir. Uranyum doğal olarak

oluşmuş en ağır elementtir, 92 protonlu çekirdeğe sahiptir. Ağır elementler son 60 yılda nükleer

reaktörler ve parçacık hızlandırıcılarda üretilmektedir.

Kararlı çekirdekler genel olarak kabaca eşit sayıda proton ve n ötron içerirler ve ağır çekirdeklerdeki

nötron sayıları genell ikle daha yüksektir. Tersine benzer proton sayılarına sahip bilinen birkaç

çekirdekte nötron sayılarının farklılığı vardır. Bu şekilde oluşan atomlar aynı sayıda elektrona fakat

farklı kütlelere sahip olacaklardır. Bundan dolayı bunlar kimyasal olarak özdeş (elektronların

sayısına bağlı olduğunu göreceğiz) olacaklardır. Bu gibi elementler İZOTOP olarak bil inirler.

Elementel elektrostatik benzer yüklerin birbir ini iteceğini söyler. Bundan dolayı p rotonların

çekirdeğin sadece uçuşa müsait bölgesinde bulunmasını bekleriz. Ama protonlar ve nötronlar çok

güçlü çekici kuvvetlerle (güçlü etkileşimler olarak bilinir) bir arada tutulurlar (nükleonların toplu

şekilde bulunduğu düşünülmektedir) ve çok küçük bir uzaklıkta iş görürler (birkaç nükleon çapında).

Bu sonuçtan dolayı kararlı çekirdekte proton sayısı sı nırl ıdır. Yük oluşurken protonlar arasındaki

itici kuvvetler çekici kuvvetlerin etkileşimi sonucunda ortaya çıkandan çok daha az etkilidir.

Kararsız çekirdekler radyoaktiftir . Bunlar kararlıl ığa ulaşana kadar parçacık yayarlar, çoğu ağır

atomlar toplam yüklerini azaltmak için parçacık yayarlar (helyum çekirdeği iki proton ve iki nötron

içerir). Nükleer karars ızl ığın dramatik örnekleri uranyum -235 çekirdeklerini doğurmuştur(92 proton

ve 143 nötron toplamda 235) ve bu ikiye parçalana bilmektedir. Bu nükleer f isyon prosesi i le çok

büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Çekirdeğin yükünü dengeleyen elektronlara geri dönersek, bunların çekirdek çevresinde ‘durgu n

dalga’ konumlarını (orbital) kapladıklarını göre bil iriz. Bu konumlar farklı enerj ilere sahiplerdir.

Normalde elektronların en düşük enerji li orbitalde olmalarını bekleriz. Bir kez daha bizim

tahminlerimize yabancı yeni f iziksel terimler eklenmektedir. E lektron benzeri parçacıkları bulmak

için birden fazla doldurulmuş olan benzer konumları tam olarak bulmak imkansızdır. Bu ilk defa

Pauli tarafından DIŞLAMA İLKESİ olarak telaffuz edilmiştir(çok parçacık içeren sistemlerin dalga

fonksiyonlarının ters simetr ilerinin beklenen sonucunu yansıtmaktadır). Üstelik çevrilme SPIN

olarak bilinen özell iğe sahip elektronlar olduğunda sağlanır(bu konu görelilik kuantum mekaniği

kapsar ve elektronun sahip olduğu manyetik momenti ortaya koyar). Manyetik moment iki değerde

olabil ir , yukarı ve aşağı. Biz hala pauli prensibini her orbitale iki elektron alınabileceği (ikiden fazla

olmaz) şekilde ifade ediyoruz; benzer konumlar için bu tam doğru değildir, biri yukarı ise diğeri

aşağı s ipinli olmalıdır.

Çekirdeğimizin yükünü or bitallere elektronları Schrdinger eşitl iğinin duran dalga çözümlerinden

dolayı en düşük enerjil i orbitalden başlayarak ikişer ikişer doldurarak dengeleriz. Oluşan atom

büyük ölçüde kompleks bir nesnedir. Atomda elektronik dalga durumlarının her biri diğeri i le

etkileşe bilir ama bunlar çekirdeğe bağlıdır.

Burada verilen hesaplama tabiî ki atomik yapının en basit çizilmiş kaba taslağıdır. İlgil i okycular

için daha fazla bilgi entelektüel seviyenizi yükseltmek isterseniz kuantum kimyası kitaplarında

bulabilirsiniz; modern atomik teori Dalton’un basit kimyasal gözlemleri ile yaratıcı görüşlerini ileri

sürmesiyle başlar. 130 yıl içinde garip şekilde atomik yapının ön görülen modeli yukarda

özetlediğimiz şekilde gelişmiştir . Bu dikkate değer başarı bil imin temel ini oluşturan fiziksel dünya

hakkında doğruları araştır ıp bir araya getiren insan aklının yaratıcı gücünü ortaya koymaktadır.

Sonuç olarak şunu unutmayacağız ki atomik yapı için tartışmanın başlangıç noktası maddenin

bileşenlerinin en son noktasının araşt ır ılması olmuştur. Şunu görmekteyiz ki atomlar görülemezler,

alt yapıları vardır, çekirdekleri protonlar ve nötronlar gibi çok küçük parçacıklardan oluşur. Son ell i

yı l boyunca yüksek enerji f iziğinin büyük çabaları protonlar nötronlar ve elektronlara ek o larak çok

sayıda elemental parçacık açığa çıkarmıştır(bu parçacıkların bazısı hayal edilemeyecek kadar kısa

ömürlüdür). Şuan açık olan şey protonlar ve nötronların alt yapıları vardır ve en küçük parçacık

kuark olarak bil inir, kuarklar bu alt yapıdadırlar. Kuarkların görülemez olup olmadıklarını veya

onların alt yapılarının olup olmadığını zaman (epey çok para) söyleyecek.

YAPIŞKAN ATOMLAR

Atomlar elektriksel olarak nötraldır , negatif yüklü elektronlar pozitif yüklü çek irdekle dengelenir.

Ama neredeyse tüm atomlar benzer tipteki diğer atomlarla ve farklı atomlarla bağ yapar. (Bu

kuralın ist isnaları aşağıda tartış ılan özel konularda vardır). Kimya bil imi büyük oranda atom

kümeleri ile ilgilenir (Bunlar küçük miktarda atom iç erdiği zaman molekül olarak is imlendirildiğini

görmüştük). İlk bakışta bu elektriksel olarak nö tral varlıkların çok güçlü ve çok kapsamlı şekilde

diğerleriyle bağ yapabilmesini anlamak zordur. Gerçekten atomlar arasındaki bağlanmanın türü

kimyadaki temel problemlerdendir. Bu problemin çözümünde modern bilgisayar destekli metotların

katkıs ı zorunlu olmuştur

Benzen (solda) ve aspartil proteas inhibitörü kendi bağıl elektron yoğunlukları içinde çevre

çizgileriyle görülmektedir.

Kimyasal bağlanmadaki anahtar atomlar etkileştiği zaman atomik elektron bulutlarının kompleks

yeniden düzenlenmelerinin gerçekleştiği görülmüştür. Gördüğümüz gibi atomlar çok komplike

haldedirler ve biz onların en basit durumları olan hidrojen atomları için Schrödinger eşitl iğinin tam

matematiksel çözümüyle yazabiliriz . Diğer tüm atomlar için yaklaştırma çözümler kullanılmıştır (bu

şekilde yüksek seviyede doğruluğa ulaşır ız). Bunların türetilmesi bir bilgisayarla idealize edilen aşırı

sayısal işler gerektir ir . Moleküller yüksek düzeyde karmaşıklık içerirler ve bilgisayar destekli

metotlarla eğer Schrodinger eşitl iğini yüksek doğrulukta çözersek bu karmaşıklığı azaltabil iriz. Bu

şuanda başarıla bilmektedir ve detaylı şekilde tartışt ığımız gibi doğru dalga fonksiyonları atomların

büyük sayılarını kapsayan moleküller için geniş şekilde mümkündür. Mesela yukarıdaki resim benzen

molekülünde ve daha sonra döneceğimiz farmakolojik moleküllerde hesaplanmış elektron

yoğunlukları görülmektedir.

Atomik elektron bulutları atomlar etkileştiği zaman yeniden düzenlenir, çünkü atomlar birbirini

etkiler ve değiştir ir . Düzenlenme çoğunlukla yüksek enerjil i orbitallerde ve dış tabaka

elektronlarında oluşur. Düşük enerjil i haldeki elektronlar çekirdeğe çok kuvvetl i şekilde bağlanırlar.

Doğru söylemek gerekirse kimya; atomların sınırlarındaki gelişmelerin neler olduğu hakkındadır.

Düzenlenmenin üç geniş sınıfı KONSANTRASYON,

TRANSFER ve DELOKALİZASYON olarak

gösterebilir iz. Bunlar kimyasal bağlanmanın farklı

tiplerinden sorumludur. Konsantrasyon yeniden

dağılan elektronların çok yaygın bir yapısıdır. Bu

proseste elektron yoğunluğu atomların etkileşen dış

orbitallerinden akar ve çekirdekler arası bölgede

yoğunlaşır. Burada negatif yüklü elektronlar her iki

atomun pozitif yüklü çekirdeklerine yaklaşır ve bu

yüzden düşük enerjiye sahiptirler. (çünkü pozitif

negatif i çeker). Gerçekten bölgede artmış elektron

yoğunluğunu atomları bir arada tutan küçük bir

yapışkan olarak nitelendirile bilir .

Bu tip bağlanmanın bulunduğu en basit kümelenme

iki hidrojen atomunu bir araya getiren hidrojen

molekülünün yapısı (H 2) aşağıda gösterilmektedir.

Hesaplarla elektron yoğunluklarının sınır çizgilerini

görmekteyiz. İkinci olarak iki etkileşimde

bulunmayan elektronlar ile moleküldeki elektron

yoğunluğundaki farklar karşılaştırıld ığında görülen

farklı sınır çizgilerini açığa çıkarmanın daha zor

olduğu görülmektedir. Çekirdekler arasındaki

elektron yoğunluğunun artış ı ve atomları dış

hatlarındaki azalma açıkça görülmektedir. Renklerle

kodlanmış hatlar hidrojen molekülündeki (H 2) iki

hidrojen atomunun elektron yoğunlukları

arasındaki farkı göstermektedir. Bu şekildeki

bağlanmaya kimyagerler anlaşmalı şekilde yaygın

olarak kovalent terimini kullanmaktadırlar.

Karbon elementleri ile oluşmuş halkalı ve zincirl i

bileşiklerde karbon atomları arasındaki bağ,

endüstriyel önemi bulunan, bileşiklerdeki ve

yaşayan maddelerin ve bizim vücudumuzdaki

maddelerde kovalent bağ bulunur. Elektronik

devrimin kalbinde yer alan maddeler, kristalin

silikondaki sil isyum atomları aşağıda gösterildiği

gibi kovalent bağla bir arada tutunurlar. Gerçekten

kovalent bağlanma atomların s ınırından elektron

yoğunluğunun küçük miktarlarının dışarı aktarılabileceği ve bu atomlar arsında yapışkan olarak

bunların yoğunlaşması yaşam ve elektroniğin mümkün olmasını sağlar.

Düzenlenen yoğunlukların diğer bir modu farklı atomların arasındaki aktarım, anlaşılması en kolay

olan durumdur. Farklı atomlar farklı konumdaki elektronları için farklı ilgiye sahiptirler. Mesela

oksijen, flor ve klor gibi atomlar dış orbitallerindeki e lektronları çekme eğil imindedirler, oysa;

sodyum, potasyum ve magnezyum gibi atomlar bu orbitaldeki elektronlarını zayıf olarak tutarlar.

Tüm yirminci yüzyıl ın en büyük kimyacısı Linus Pauling atomların elektron çekici kuvvetlerinin

ölçümünü elektronegativite olarak önermiştir . Sodyum gibi düşük elektronegativiteli atomlar dış

tabakalarındaki elektronlarını kolayca kaybederler veya klor gibi yüksek elektronegativitel i

atomlara kolayca aktarırlar. Sodyum atomları bundan sonra pozitif yüklenmiş ve klor atomla rı

negatif yüklenmiş olurlar. İyon şekline gelen karşıt yüklü atomlar birbirlerini çekerler. Karşıt yüklü

iyonlar arasında oluşan elektrostatik bağlanma ile elektron yoğunluğunun aktarımı prosesinin en

basiti iyonik bağ olarak bil inir. So dyum klorürün durumu (NaCl) solda gösterildiği gibi iyonik

bileşiğe bir örnektir. Çoğu iyonik bağlı sistem kristal yapıda üç boyuttaki atomların sıralı

düzenlenmelerine sahiptir. Soldaki resim sodyumdan klora elektron yoğunluğunun aktarımını açıkça

gösteren farklı s ınır çiz gilerinin haritasını

göstermektedir. Daha zor bir örnek

kimyasal formülü SiO 2 olan, doğal olarak

oluşan ve önemli endüstriyel kullanımı olan

kuartzla sağlanır. Resim bu bileşikteki

yeniden dağılımın nasıl olduğunu

göstermektedir.

Açıkça burada yoğunluk s il isyumdan

oksijene doğru aktarıl ır , ama çekirdekler

arasındaki konsantrasyon yoğunluğunun bir kısmı

gösterilmektedir. Kuartzdaki bağlanma iyonik ve

kovalent arasındaki bir haldedir. Sil isyum ve

oksijenin her ikis i dünyadaki kabuk ve mantonun

geniş kısmını oluşturmaktadır. Metalik elementlerin

atomlarıyla beraber bunlar, sil ikat bileşiklerinin

gen iş aralıktaki bir kitlesi bu aralıkta toplanmıştır .

Kısmi olarak iyonik si lisyum -oksijen bağları organik ve Şekil 84 Sodyum klorür içindeki elektron yoğunluğu farklılıkları.

Şekil 85 Silikonun yapısındaki kovalent bağlanma.

biyokimyacılar için karbon -karbon bağının önemi kadar m ineraller için eşit miktarda önemlidir.

Elektron yoğunluk dağıl ımının üçüncü tipi DELOKALİZASYON dur. Birkaç atom üzerindeki elektron

yoğunluğunun dağıtı lması elektronik enerjide düşmeye yol açar. Bunun klasik örneği benzenin

alt ıgen halkalı moleküler yapısı aşağıda gösterilmiştir . (i lk olarak 1825’te Michael Faraday balina

yağından izole etmiştir) büyük derecede kararlıl ık gösteren molekül beklenenden oldukça düşük

reaktivite de dir. Bu kavramın anlaşılması teorik organik kimyanın gelişmesindeki temel a dımlardan

biri olmuştur. Şimdi bil iyoruz ki bu kararlılık halka üzerinde molekülün geniş alanına elektron

yoğunluğunu dağıtarak sağlanır. Delokalizayon metal atomları arasındaki bağlanmada da temeldir .

Mesela metalik kristal yapıdaki sodyum atomlarının dış orbitallerinden gelen elektronlar bütün

kristal üzerinde delokalize hale gelir . Bu oluşan delokalizasyon denizi içinde metal atomları yüksek

elektrik iletkenliğine sahip olurlar. İlginç şekilde karbon atomları zincirinden tek yönde metalik

madde üretimi mümkün olur. Bu poliasetilenler

metal gibi yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir

ama mekanik özell ikleri daha çok plastiklere

benzer.

Tüm kimyasal bağlanmalar düşük enerjil i

atomları oluşturmak üzere dış orbitallerindeki

elektronları bağ yaparak kaybetme nin veya

dağıtmanın bir veya daha fazla seçeneğini

kullanır. Dahası bu prosesler bilgisayar destekli

metotlar kullanılarak çok detaylı ve yüksek

doğrulukta modellenebilmektedir. Kimyasal

bağlanma problemi çözüldü!

Şekil 86 Kuartz (SiO2) içindeki elektron yoğunluğu farklılıkları.

Şekil 4 Benzenin yapısı C6H6. Şekil 5 Benzendeki delokalize olmuş moleküler orbitaller.

Şekil 87 Metalik sodyumdaki sodyum atomları

Şekil 6 Poli asetilen moleküllerinin uygun şekilde paketlenmiş yapıları.

MOLEKÜLER ŞEKİLLENDİRME

Atomları bir arada tutan şeyin ne olduğunu

bil iyoruz ama onları bir leştirebilecek olan

şeylerin sınırlarını ve moleküler şekli kontrol

eden faktörler nelerdir? En temel ve basit

faktör farklı atomların farklı bağıl

büyüklüklerin ortaya çıkmasıdır. Atomik

büyüklük kavramı biraz muğlaktır ; bir atomun

büyüklüğü elektron yük bulutunun boyutuyla

kontrol edil ir ve atom çevresindeki elektron

yoğunluğu aniden sıfır değerine düşm ez,

kademeli olarak düşer . Yinede (solda

görüldüğü gibi) atomun yaklaşık çapının tayin

edilebilirl iği ispatlanmıştır . Sadece geometrik

faktörler atomları bir arada paketleye bilme

yollarımızı sınırlayıcı olacaktır. Bu faktörler

kristallerdeki paketlenme göz önüne

alındığında çok açık hale gelir . Kristal yapıların

içeriği mesela büyük sezyum iyonları söz konusu

olduğunda bir atomun çevresini sekiz atom çevirir , bunun yerine küçük lityum atomları olduğunda

sadece dört atom çevreler.

Bir sonraki nokta; atom lar kendi elektronik yapılarının spesif ik özell iklerinden gelen iyi tanımlanmış

birleşme gücüne sahip olmalarıdır (VALENS kimyasal kavramı). Özellikle elektronların toplam

sayısına bağlı olarak en dış tabakadaki elektronların sayısı dış kabukta görülebili r . Gerçekten teorik

kimyanın en eski ve en kuvvetl i fikirlerinden bir i elektron ortaklanılan bağın valens kavramından

gelir . Kimyasal bağlarda (H 2 molekülündeki iki hidrojen atomunda olduğu gibi) elektronlar birlikte

paylaşılırlar. Ortaklanılan elektronlar ın sayıs ı artarsa mesela dört veya alt ı gibi, çift yada üçlü bağ

tercih edilir (oksijen molekülünde çift ve azot molekülünde üçlü bağ vardır). Kimyasal bağlanmada

itici kuvvet en dış orbitallerin tam dolu, kararlı halde atomlara ulaşmak istenmesidir. Payla şım

yapılan bağdaki elektronlar tüm atomlar tarafından takım olarak kullanılırlar. Bu şekilde dış

tabakasında dört tane elektron bulunduran karbon atomu sekiz elektronluk yer bulundurur (metan

molekülündeki gibi,CH 4). Oksijenin altı tane elektronu vardır v e yine sekiz tanelik yeri vardır. Bu

yüzden suda oksijen iki valense sahiptir. Bu

yaklaşımın gerçek olduğu dış tabakaları tam

dolu olan atomların kimyasal olarak inaktif

olmasından görülebil ir . Bu yapıdaki ‘soy

gazlar’ ünlüdür. (çoğu yirminci yüzyılda

Londra Üniversitesinde Sir Willam Ramsay’in

çalışmalarıyla izole edilmişidir). Helyum ve

neon kimyasal olarak aktif değildir, ne

kendileriyle nede başka atomlarla bağ

yaparlar. Argon ve kripton çok s ınırlı

kimyasallık gösterir, çünkü en dış tabakadaki

elektron ların genişlemesi çok zor olacaktır.

1960’larda kimyanın gözle görülebil ir

gelişmelerinden biri Neil Batlet ve çalışma

arkadaşı Xenon tarafından bulunmuş olan dış

tabakalarının genişlemesi kolaylaştırı lmış

kimyasal türler bulmuşlardır. Bunlardan oluşan

baz ı bileşikler yukarıda görülmektedir.

Şekil 88 Elementlerin periyodik tablosu her element için tipik kimyasal çapı göstermektedir.

Şekil 89 ksenon bileşikleri; XeF2, XeF4 ve XeF6.

Valens ve ortaklanılan bağların daha

geleneksel kimyasal kavramları erken

evrelerde bulunmuş olan elektron

yoğunluğunun dağılması kavramını

içinde bulunduran kimyasal bağlanma

kavramıyla daha karmaşık bir yapı alır .

Önceki anlattıklarımız atomların neden

bağ yaptığını anlamamıza izin verir.

Sonraki kavramlar ise oluşa bilecek olan

moleküler yapının kısıtlamalarını

belirler. Kimyasal bağlanmanın ana

özell iklerine dönecek olursak; bunların

özel yönlerde olması zorunluluğu vardır.

Buradan karbon atomu bileşiklerinde bir

tetra hedronun köşelerini kaplayan dört

atoma bağlanmıştır . Bu durum

çoğunlukla bu şekilde olmasına karşın

farklı bağlanma örneklerinde bir

eşkenar üçgenin köşelerine üç atom

yerleştiği yapılar olabilir ve bazı gazlarda

doğrusal düzenlenme benimsenir. Bu özel

geometrik şekillenme atomların bir

araya gelmiş yapıları sonucunda

mümkün olan en az enerjiye sahip olması

gerekliliğidir. Daha özel olarak bunlar

atomik elektron yük bulutu

yoğunluğunun farklı şekil leri olması

kavramı içinde ve bunların etkileşimi

yoluyla oluşan şekiller kapsamında

anlaşılır . Kimyasal bağlanmalar

oluşurken atomik yük bulutları etkileşir

ve biri diğerinin üzerine biner. Yük

bulutlarının şekilleri bu şekilde değişir .

Farklı şekildeki atomik yük bulutları s ,p

ve d harfleriyle isimlendirilirler ve farklı

şekillerdeki moleküler elektron yük

bulutları sigma, pi ve d işaretleriyle

isimlendiril irler (çoğunlukla moleküler

orbital olarak bilinirler). Farklı t ipteki bağları

içeren molekül örnekl eri solda görülmektedir.

Bu farklı t ipteki bağlar farklı özell iklere sahiptirler, sigma bağlarında elektron yoğunluğu elektron

ve çekirdek arasındaki kuvvetl i etkileşim nedeniyle çekirdekler arasında toplanmıştır . Buna

benzemeyen pi bağlarının maksimum old uğu yer moleküller arası düzlem üzerindedir.

Sigma bağları bu nedenle daha kararlıdır ve pi bağlarının olduğu moleküller daha reaktift ir . Burda

olduğu gibi geometrik farklı lıklar zorluğu vardır. Aşağda gösterildiği gibi sigma bağı etrafında

dönme olabilmektedir ama pi bağında üst üste binen orbitallerin döne bilmesi için parçalanmaları

gerekir.

C2H4 gibi pi bağlı moleküller bunun için sigma bağlı iskelet taşıyan yapılardan daha serttir .

Şekil 90 Atomik orbitaller; 1s ve 2s (üstteki sıra), 2p (orta sıra) ve 3d orbitalleri (en alt sıra).

Şekil 91 Sırasıyla bütan, benzen, etilen ve asetilen.

Çift bağlar (aşağıdaki) pi orbitalleri etkileşimini b ozmadan dönemez.

BİLİMİN YAPISINDAKİ MODELLER

Bizim yaşamımızdaki kompleks dünyayı anlamada insanlık çoğunlukla modellere ihtiyaç duyar .

Modeller çok küçük ve çok büyük nesnelerin

kavranabilir ve bil indik hale getirir , resimdeki

gerçeği bizim anlamamıza izin verir. Modeller bunun

için f iziksel evrenin oransal olarak anlaşılması için

bil imsel soruların cevaplanmasında zorunludur.

Sanallaştırma bilimsel hayal gücüne çok büyük katkı

yapar ve bil imsel keşfin kalbindeki proses, kavram ve

olağan üstülük arasındaki ilişki ve bağıntıyı yeniden

ortaya koyar.

Modeller bil imsel düşüncenin oluşturulmasında bil imi

kullandığı, en önceki bil imsel modeller astronomik

gözlemlerde kullanılmıştır . Eski dünya za manında

kozmolojik evrenin Ptolemik sisteminde dünya

merkezde bulunur. Bu büyük kompleks ve mükemmel

yapı gezegen ve yıldızların gözlenen hareket büyüklüğünü açıklar. Ptolomik sistemlerden 16.yüz

yılda Koperniğin devrimiyle ileri adım atılmıştır , bu model güneş sistemi için en basit güneş merkezli

modeli oluşturur. Bu astronomik bilginin açıklanması yol

gösterici olmuştur ve sonra Newton’un yerçekimi

teoris iyle gerçekliğe kavuşmuştur. Astronomi ve

kozmolojideki büyük

bil imsel

karşılaştırmalarda

modeller büyük

öneme sahiptir.

Küresel modellemeler

dünyanın atmosferi,

okyanusları ve iç

karakterinin nasıl

oluştuğunun

anlaşılması için

geliştir ilen bilimlerde önemli roller üstlenirler. Mühendisl ik ve

uygulamalı bil imlerde yine bu rol büyüktür ama çağdaş

teknoloji bunlardaki gelişme ve kültürel büyüme aralığını

genişletmektedir. Örneğin havada uçan savaş uçaklarının

Şekil 92 Lizoziyom enzimi.

Şekil 94 Süper iletken maddeler.

Şekil 93 Buckminster Fullerene

üzerindeki hava basıncı dağıl ımını kompleks modeller içinde incelersek buradan elde edilen bilgiler

havacılık endüstrisinde dizaynlar için detaylı ve d oğru bilgi olması hayatidir. Bizim yoğunlaştığımız

alanlar ise atomlar ve moleküllerden oluşan dünyadaki mikroskobik nesneleri anlamamızda

modellerin rolü üzerinedir, muazzam moleküller veren bu maddelerin bir aray gelmedeki çok çeşitl i

yollarını modellerle açığa vururuz. Bu yapılardan bir i 1965’te Royal enstitüsünde ilk olarak

keşfedilen l izoziyom enziminin muazzam yapısı olmuştur.

Olağan üstü ve önemli teknolojik özell iklere yol açan yapılar mesela yüksek sıcaklıktaki süper

iletkenlerin kristal yapıları solda görülmektedir. Moleküler yapıların simetri ve zarafeti

Buckminister Fulleren maddesinin yapısal mimarisinde görülmektedir.

BİLGİSAYAR VE MODELLER

Bizim modelleme yapabilmemiz ve buna benzer kompleks üç boyutsal yapıları açıklayabilmemiz son

yıllardaki yeni bilgisayar teknolojileriyle gerçekleştirilen bir devrimdir. Bu modeller önceden

mümkün olmayan detaylı seviyelerde inşa, görüntü ve manipülasyon yapmamıza izin verir. Gerçekten

bilgisayar modellemeleri ve grafikler bil im ve teknolojinin tüm tür lerinin bakış açılarını

etkilemektedirler. Fakat çağdaş bil imde bilgisayarın rolü çok derindir. Son birkaç yüzyılda bil imin

dev geliş imi ile doğanın temel kuvvetlerini gitt ikçe artan doğrulukta bilgilerle bize verir. Bunu

başarmada gerçeği basitleştirmek i çin doğanın gerçeklerini ortaya koymak zorunludur. Basitleştirme

stratej isiyle gözlemlenen temel anlayışları açıklarsak, çevremizdeki dünyada gördüğümüz

kompleksliği keşfetmenin daha heyecanlı safhasına geçebil iriz . İşte burada bilgisayarlar merkezi rol

oynamaktadır. Modern bilgisayarların işlemci güçleri ve hafızalarındaki sürekli genişleme

gerçeklerin modellemesine temel bilgilerin aktarılmasında artan şekilde kullanmamıza izin verir.

Bilgisayar f iziksel kanunlara göre programlanır ve anlamlı bilgilerin v erilerini gireriz. Sonra bil im

ile uyumlu bir modeli araştırır , geliştirir ve gösterir.

Bilgisayarla uğraşan bil im insanları neredeyse patlayan şekilde sürekli kullandığımız teknolojinin

gücüyle sürekli imtiyazlı olmaktadırlar. Bunu yazdığımız sırada bilg isayarların gücü her ons ekiz

ayda harcanan maliyet için kabaca iki katına çıkmaktadır. Ayrıca çalışma istasyonlarının yüksek

performanslı ve yüksek çözünürlüklü grafikleri artan şekilde elde edilebil irl iği yüksek kalitede

resimler ile modellerimizi sanall aştıra bil ir .

Bilgisayarların gücünün sürekli olarak artması sonsuza kadar sürecek mi? Bu kesinlikle öngörülebilir

bir geleceğe kadar sürecektir. Bunun için bilgisayar endüstrisi basit ama etkin bir fikir benimser, bu

bir atasözünde özetlenmiştir; ’ ’çok el aydınlık iş yapar’’ . Modern bilgisayar donanımlarında bir

stratej i mütevazı (ve ucuz) işlemcilerin çok sayıda yaptığı komplike görevlerin büyüklüğünün

dağıtılması, paralelleştirme prensibinin kullanılmasıdır. Eyer bilgisayar bir zaman periyodu için

bağımsız olarak işlemci taraması yapabiliyorsa ve farklı iş lemcilerin her biri diğerine bu sonuçları

ilet irken hızl ıca bağlantı kurabil irse her bir işlemci için mütevazi bir teknolojiyle yüksek

performansı elde edebil ir iz. Bir kaç bilgisayar üreticis i ş imdi çok sayıda paralel işlemcileri

üretmektedir. Buradaki önemli merkez farklı işlemciler arasındaki iletkenliktir .

Bilgisayar donanımlarının ilginç alanlarının detaylı tartışması buradaki tartışmamızın dış ındadır.

Çağdaş bil imin açıklanmasında bilgisayarın eşsiz model inşasındaki gücünü nasıl kullandığımızı

göstereceğiz. Global veya kozmolojik modeller büyük öneme sahiptir ama en yüksek mevki yirminci

yüzyıl insanının büyük entelektüel başarıs ının mümkün olmasında atomik seviyede maddelerin

modellerini bize vermesidir .

BİZİM YAŞAMIMIZDAKİ MOLEKÜLLER

Moleküler yapılar bizim gündelik yaşamımız için merkezi öneme sahiptir. Moleküler yapıları

keşfetmeden önce, atomların doğasını ve yapılarını keşfederiz. Bilgisayarların yardımıyla bunun

nasıl olduğunu görürüz, kimyanın kalbindeki problemleri , moleküler oluşumları bir arada tutan bu

kompleks nesnelerin nasıl olduğunu

bilgisayarlarla anlaya bilir iz. Moleküller

kompleksliğin başarılmada zincir ve halka

oluşumlarındaki basit geometrik oyunları

kullanırız . Sonra moleküllerin bir araya

toplanmasını, atomik ve moleküler

seviyedeki düzen ve düzensizl ikler

arasındaki dengenin ilginçliğini göz önüne

alırız. Düzenin incelenmesi kristallerin

doğasındaki mükemmeliyetin ve üç boyuttaki

düzensiz yapıların nasıl olduğunu

tanımlayacak ve düzensizl iklerin sıvı ve cam

yapılarının doğasını kullanmalarını

gösterecektir. Kristaller gibi üç boyutsal

nesneler bir yüzeyler ile birbirlerine

bağlanırlar; yüzeyl er ve ara yüzeyler için

modeller bu bölümün konusudur. Üstelik

yüzeylerin gözlenmesi yaşayan maddelerde

ve teknolojide önemli rol oynayan f il imler ve

membranların doğasının tartış ılmasına yol açmaktadır. Moleküller ve diğer atom toplulukları her

yerde ve her zaman hazırdır. Kitap yazmada kullandığımız kalem ve yazıcıdaki kağıt moleküllerden

yapılmıştır . Zincir molekülleri solda gösterilen resimdeki gibidir.

Metal atomların üç boyutta düzenli yerleşimlere sahiptirler ve atomlar yukarda gösterildiği gibi

atomik seviyede diziler halinde yerleşmişlerdir.

Moleküller durağan nesneler değil lerdir; titreşim, dönme veya çevrilme gibi sabit harekete

sahiptirler. Yüzümüzde hafif bir meltem hissettiğimiz zaman hayal edemeyeceğimiz sayıda molekül

yüzümüze çarpar, ve b ir katı erirken moleküller katıda özel bölgelerde bulunurken sıvı içinde

serbestçe gezebilir ve hareket edebilirler.

Moleküller değişirler, atomlarını kaybeder ve kazanırlar, kır ıl ırlar ve iyileştirmeye de uğrayabilirler ,

enerj i kazanabilirler ve kaybedeb i lirler. Basit metan moleküllerinden oluşan doğalgaz yakıldığı

zaman havadan gelen oksijen atomlarıyla birleşerek yeni moleküller olan karbon dioksit ve suya

parçalanırlar, bu s ırada dışarı ısı ve ışık verilir . Metal paslandığı zaman, metal kristaller yapısından

Şekil 95 Polimer moleküllerinin zinciri.

havanın oksijenle birleşerek metalden fiziksel ve mekanik özell ikleri tamamen farklı olan yeni bir

oksit materyaline dönüşür.

Moleküller ve moleküler proseslerin keşif leri sürmektedir. Gördüğümüz gibi karbon dioksit molekülü

doğalgaz ve diğer karbon içeren yakıtların yanmasıyla oluşur. Metan gibi moleküllerde depolanmış

enerjinin açığa çıkarıldığı kimyasal reaksiyon olan yanmanın son ürünü karbon dioksittir . Karbon

dioksit atmosfere bırakıl ır . Ama o kendi özell iğine göre emdiği enerj iyi dünyanın yüze yine ıs ı taşıyan

infrared radyasyonu olarak geri yayar. Atmosferde ısıyı tutan bir örtü gibi davranır. Yanan

yakıtlarla oluşan karbon dioksit in oluşturduğu enerjinin artan şekilde üretimi insanlık için

hesaplanamaz sonuçlarla beraber atmosferin ısınmasına neden olmaktadır. İnfrared radyasyonun

absorbsiyonunda karbon dioksitin yetkinliği moleküler yapının bir sonucudur. Radyasyon

moleküldeki titreşimleri uyarır ve bunu yapan radyasyonun enerjisinin absorblanmasıdır. İçinde

metan ve suyun da olduğu çoğu molek ül bu tip radyasyonu soğurur. Bizim ilgimiz karbon dioksit

üzerine odaklanmıştır , çünkü modern endüstir iyel toplumlarda onun salınması görülmemiş

miktardadır. Bir diğer molekül olan ozon atmosferde radyasyonun çevrimini kontrolde büyük rol

oyar. Molekül üç oksijen atomundan oluşur (düz moleküle benzemeyen şekilde iki atom bir diğerine

yakınlaşıp uzaklaşır). Ozonun absorbladığı ıs ı taşıyan radyasyon CO 2 ’nin düşük enerjil i

absorbsiyonuna benzemez ve güneş ış ınlarında bulunan yüksek enerji li ultra viyole radya syonu

absorblarlar. Dünya atmosferinin en üst seviyesindeki ‘ozon tabakası ’ dünyanın yüzeyini bu zararlı

radyasyonları büyük oranını absorplayarak korur. Buna karşın ozon kolayca parçalanabilir ve

molekül düzgün oksijen molekülüne geri dönüşür. Bu parçalan maya klor gibi reaktif atomlar yardım

eder. Bu gibi reaktif atomlar doğal olarak dünya atmosferinde gözle görülür konsantrasyonda

bulunur. Bunlar düşük sıcaklıklarda uçucu sıvı yapısındadır ve buzdolaplarında yaygın olarak

kullanılan, CFC olarak bil inen kl orin molekülüne güneş ış ığının etkis iyle oluşan maddelerdir. Bu

molekülün yetkinliği dünya atmosferinde sızıntıya yol açar ve orta tabakadaki stratosfere ulaşır.

Burada bozunma oluşur ve serbest kalan klor atomları ozon tabakasını yok eder. Buna karşın kim ya

endüstir isi çevresel bozunmaya yol açan CFC’ler için bunların yerini alacak yeni dizaynlar

geliştirmiştir .

Moleküller ve moleküler prosesler bizim yaşamımızı kontrol eder, gerçekten bu kitabın sonunda

tartış ıldığı gibi yaşam bir moleküler prosestir . Fak at bunlar yaşayan moleküller hakkında esrarengiz

şeyler değil lerdir . Bunları tüm moleküler proseslerde uyguladığımız prensiplerle anlayabilir iz. Ve

bunların kesin fonksiyonlarını başarabilmesi için zorunlu olan yüksek seviyedeki komplekslik evrimin

milyarlarca yıl sürmesiyle değişime uğramışlardır.

Son sözü söylemeden önce John Tyndall’in dünyasından bahsedelim, Londradaki Royal enstitüsünde

bil imsel bilginin geliştirdiği kocaman bir adamdır bu. Diğer moleküller arasında yaşayan en büyük

dokunu bu olduğu görülmüştür. Ve şunlar söylenmiştir ;

‘Bizim sahip olduğumuz beyin bir madde ise baştan sona kadar bu proseslerin sıralanmasıyla

oluşabilmelidir. Yine bu her molekülde görüldüğü gibi bir molekül ve diğer molekül arasında görev

yapan itme ve çekme kuvvetleri molekülleri kendi yerinde tutar’ .

Buradaki prosesler ve bunların tamamlanması moleküler kuvvetler oyununun bir sonucudur.

Modern bilgisayarların fevkalade modelleme gücü i le Tyndll ’in görünüşünü gerçekleştirebilmekteyiz.