15 minute read
KUANTUM KİMYASI
Kuantum kimyası, kuantum mekaniği prensiplerinin ve denkliklerinin moleküller üzerindeki çalışmalara bir uygulamasıdır. Maddeyi en temel düzeyde anlamak için kuantum mekanik modelleri ve metotları kullanılmalıdır. Kuantum mekaniğinin onu önceki madde modellerinden farklı kılan iki yönü vardır. Birincisi, dalga-parçacık ikiliği kavramıdır, yani çok küçük cisimleri (elektron gibi) hem parçacıkların hem de dalgaların özelliklerine sahip olarak düşünmemiz gerektiği fikridir. İkincisi, kuantum mekanik modellerinin, atom ve moleküllerin, sadece belirli ölçülerde değere sahip olabilen kuantlanmış enerjisini daima doğruca öngördüğü fikridir. Kuantum kimyasal teorileri periyodik tablonun yapısal özelliklerini inceleme olanağı verir ve kuantum kimyasal hesaplamaları molekül yapılarının kesin bir biçimde öngörümüyle birlikte atom ve molekül davranışlarının spektroskopik incelenmesini sağlar. Bu yazı kuantum kimyası uygulamalarının, güncel bilişim teknolojisinde bir atılıma yol açışını inceler. [1] [2]
Işık için Dalga-Parçacık İkiliği
Advertisement
Köken olarak, ikilik fikri temelde 17. Yüzyılda Christiaan Huygens ve Isaac Newton arasındaki ışık ve maddenin doğası hakkında ışık hem dalgadan (Huygens) hem de parçacıktan (Newton) oluşur tartışmalarına dayanır. Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Neils Bohr ve diğer birçok bilim adamının çalışmaları sayesinde şu andaki bilimsel teori ışığın hem parçacık hem de dalga (ya da tam tersi) olduğu üzerinedir. Bu olgu yalnız orta boyuttaki parçacıklar için değil ayrıca atom ve moleküllerin temel bileşenleri içinde geçerlidir. Gözle görülebilir parçacıklar için ise aşırı derecede kısa dalga boylarından dolayı dalga özelliği saptanamaz durumda.
Dalga-parçacık ikiliği teorisi tüm maddelerin yalnızca kütlesi olan bir parçacık değil aynı zamanda da enerji transferi yapan bir dalga olduğunu gösterir. Kuantum mekaniğinin temel konsepti, kuantum düzeyindeki objelerin davranışlarında “parçacık” ve “dalga” gibi klasik konseptlerin yetersiz kalmasından dolayı bu teoriyi işaret eder. Standart kuantum yorumları bu paradoksu evrenin temel özelliği olarak açıklarken, alternatif yorumlar bu ikiliği gelişmekte olan, gözlemci üzerinde bulunan çeşitli sınırlamalardan dolayı kaynaklanan ikinci dereceden
Maddenin Dalga Doğası
Şekil: Dalga-parçacık ikiliği
19. yüzyılın sonunda, ışığın Maxwell denklemlerinden türetildiği gibi elektromanyetik alanların dalgalarından, maddeninse yerel parçacıklardan oluştuğu düşünülüyordu. Bu ayrım Albert Einstein tarafından, 1905'te yazdığı ışıl-elektrik etki üzerine makalesinde, ışığın yerelleşmiş cepler, ya da “kuant”lar (şimdi ise fotonlar olarak isimlendirilirler) tarafından emildiği ve yayıldığının önerilmesiyle sarsılmıştır. Bu kuantlar “ V” ışığın tekrarsıklığı ve h Planck sabiti olmak üzere:
E = h V
; enerjiye sahiptir. Modern anlaşmada, bu başlığın kalanında yapıldığı gibi tekrarsıklık (frekans) f olarak sembolize edilir. Ancak Einstein'ın önerisi Robert Millikan ve Arthur Compton tarafından sonraki yirmi yılda deneysel olarak kanıtlanmıştır. Sonuçta da ışığın hem dalgasal hem maddesel özellikleri olduğu açık hale gelmiştir. De Broglie, 1924'teki doktora tezinde, bu dalga-parçacık ikiliğini tüm parçacıklara genelleştirmeyi amaçlamıştır: “Dalga mekaniklerine dair ilk fikirlerim 1923-24'te oluştuğunda, dalganın eş varlığının ve Einstein tarafından 1905'teki makalesinde önerilen fotonların parçacık özelliğini, her parçacık için geçerli, gerçek bir fiziksel sentez yapmak amacı bana yol göstermiştir.”-De Broglie [4]
Enerji Departmanı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları, kuantum cihazlarının performansını değerlendirmek ve gelecekte planlanan kuantum bilgisayarlar için uygulamaların geliştirilmesine rehberlik etmek için bir kuantum kimya simülasyonu ölçütü geliştirdiler. Bulguları npj Quantum Information'da yayınlandı.
Kuantum bilgisayarlar, kuantum mekaniği yasalarını ve “qubits” olarak bilinen birimleri, bilginin iletilip işlenebileceği eşiği en büyük değere yükseltebilmek için kullanır. Bilinen klasik “bitler” 0 veya 1 değerlerine sahipken, kübitler hem 0 hem de 1 değerleriyle veya bunların her ikisinin bir kuantum süperpozisyonuyla kodlanır ve bu da verilerin depolanması için çok sayıda olanak sağlar. Henüz ilk aşamalarında olmakla birlikte, kuantum sistemler günümüzün önde gelen klasik hesaplama sistemlerinden katlanarak daha güçlü olma potansiyeline sahiptir ve malzeme, kimya, yüksek enerji fiziği ve bilimsel spektrumdaki araştırmalarda devrim yaratmayı vaat etmektedir.
Ancak bu sistemler henüz göreceli başlangıç aşamalarında oldukları için, benzersiz yapılarına hangi uygulamaların uygun olduğunu değerlendirmek önemli bir araştırma alanı olarak kabul edilmektedir.
Şekil: ORNL (Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı) araştırma ekibi lideri, kuantum kimyası simülasyonlarına dayanan kuantum bilgisayarların doğruluğu ve performansı için evrensel bir kriter geliştirmektedir. Karşılaştırma ölçütü, ekibin yeni kuantum işlemcileri değerlendirmesine ve geliştirmesine yardımcı olacaktır. (Sol altında: RbH molekülünü test etmek için kullanılan kuantum devrelerinden birinin şeması. Sol üst: kullanılan moleküler orbitaller. Sağ üst: RbH için sol alt devre kullanılarak elde edilen gerçek sonuçlar). Görsel Kaynağı: Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı.
“Quantum Testbed Pathfinder” projesinin baş araştırmacısı ORNL'den Raphael Pooser, “Şu anda bu sistemleri, gelecekte çözümünde yardımcı olacağına inandığımız türden sorunları temsil eden oldukça basit bilimsel sorunlar üzerinde yürütüyoruz” dedi. Bu değerlendirmeler, üstel olarak daha karmaşık olsa da benzer simülasyonlarla mücadele ederken gelecekteki kuantum sistemlerinin nasıl performans göstereceği hakkında bir fikir verir. Pooser ve meslektaşları, 20-qubit IBM Tokyo ve 16-qubit Rigetti Aspen işlemcilerde alkali hidrit moleküllerinin bağlı hal enerjisini hesapladılar. Bu moleküller basit bir yapı gösterir ve enerjileri iyi anlaşılmıştır, bu değerlendirme kuantum bilgisayarının performansını etkili bir şekilde test etmelerine izin verir. Ekip kuantum bilgisayarını birkaç parametrenin fonksiyonu olarak ayarlayarak, bu moleküllerin bağlı durumlarını klasik bir
bilgisayarda simülasyonların kullanılmasıyla elde edilen kimyasal doğrulukla (ölçülen değer ile gerçek değerin uyumluluğunu) hesapladı. Kuantum hesaplamalarının aynı zamanda mevcut kuantum donanımındaki eksiklikleri aydınlatan sistematik hata azaltma içermesi de aynı derecede önemlidir.
Mevcut kuantum yapılarına doğal bir gürültünün etkimesi çalışmada sistematik hata oluşturur. Kuantum bilgisayarlar son derece hassas olduğundan (örneğin, ORNL ekibi tarafından kullanılan kübitler yaklaşık 20 millikelvin veya -450 Fahrenheit derecelerde seyreltme dolaplarında tutulur) çevrelerindeki ortamlardan gelen sıcaklıklar ve titreşimler atma kararsızlıkları oluşturabilir. Örneğin, böyle bir gürültü bir kübitin istenilen 20° yerine 21° derece dönmesine neden olarak önemli bir hesaplamanın sonucunu büyük ölçüde etkileyebilir.
Şekil: LINPACK
Pooser “Bu yeni gösterge karma durumu ya da çevre ve makinenin mükemmel etkileşebilirliğini karakterize eder.” diyor. “Bu çalışma, dünyanın en hızlı klasik bilgisayarlarının hız değerlendirmelerini yapmak için kullanılan evrensel LINPACK ölçütü gibi, kuantum bilgisayarların performansını ölçmek için de evrensel bir ölçüte varma noktasında kritik adımdır.” Temelde, kuantum bilgisayarlarının geliştikçe, Summit de dahil olmak üzere, şu anda faaliyette olan herhangi bir klasik bilgisayardan daha doğru ve daha verimli bir şekilde kimyayla ilgili hesaplamaları gerçekleştirebileceklerine inanılmaktadır.
ORNL ekibi, kuantum hesaplama, ağ oluşturma, algılama ve kuantum materyalleri özel araştırma programları aracılığıyla on yıldan uzun bir süredir kuantum gibi paradigma değiştiren platformlar üzerine odaklanmıştır. Bu proje, yakın dönem kuantum bilişim kaynaklarının günümüzün en göz korkutucu bilimsel zorluklarının üstesinden gelmeye nasıl yardımcı olabileceğini, yakın zamanda duyurulan Ulusal Kuantum Girişimi’ni desteklemeyi ve kuantum bilimlerinde (özellikle bilgi işlem-programlama) Amerikan liderliğini sağlamayı hedefleyen federal bir çalışmadır. Böyle bir liderliği garantilemek isteyen ORNL ekibi devamlı ilerleyiş için daha büyük ölçekli kuantum sistemlerinde, Summit gibi sistemlere ihtiyaç duyacaktır.
IBM ve Rigetti işlemcilere erişim, eğitim-sosyal yardım ve staj programları aracılığıyla gelecek kuantum programcılarının gelişimini destekleyip mevcut, kuantum bilgi işlem sistemlerinin erken erişim sağlayıcısı Oak Ridge Bilgi-İşlem Tesisi'nde Kuantum Bilgi-İşlem Kullanıcı Programı aracılığıyla sağlanmıştır. Araştırmaya destek DOE Bilim Ofisi İleri Bilimsel Bilgi-İşlem Araştırma programından gelmiştir. Pooser, “Bu proje bugünün en büyük bilim ve ulusal güvenlik zorluklarını çözmede, kuantum bilgi ve işlemlerinin potansiyelini gerçekleştirme misyonunda ilerliyor” diyor.
Ekip sonraki aşamada, bu moleküllerin katlanarak daha karmaşık uyarı görmüş durumları için hesaplar yapmayı planlıyor, bu da yeni hata azaltma şemaları tasarlamalarına ve pratik kuantum hesaplama olasılığını gerçeğe bir adım daha yaklaştırmalarına yardımcı olacak. [5]
1.http://www.chemistryexplained.com/Pr-Ro/Quantum-Chemistry.html 2.https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/quantum-chemistry 3.https://tr.wikipedia.org/wiki/Dalga-par%C3%A7ac%C4%B1k_ikili%C4%9Fi 4.https://tr.wikipedia.org/wiki/Madde_dalgas%C4%B1 5.https://scitechdaily.com/performance-benchmark-advanced-for-quantum-computers/
Elif Berfin Kavak Kimya Mühendisi (Lisans Öğrencisi) elifkavak99@gmail.com
ATIKLAR LABORATUVARDA DEĞERLİ GRAFENE DÖNÜŞTÜRÜLÜYOR
Muz kabuğunun grafene dönüştürülmesi ile çevreye zararlı etkileri olan beton ve diğer yapı kimyasallarının etkileri azaltılabilir.
Rice Üniversitesi kimyageri James Tour tarafından sunulan bu proses, karbonun bulunduğu her türlü atık kaynaktan grafen elde edilebileceğini vaddediyor. Bu işlem ucuz olmasının yanı sıra hızlı bir işlemdir. Bu sürece “Flaş Prosesi” adı verilmiştir.
Tour şunları ifade etmiştir: “Her yıl Dünya’da bulunan tüm gıdaların %30 ila %40’ı atılıyor ve plastik atıklar dünya çapında bir endişe kaynağı olarak görülüyor. Karışık plastik atıklar ve kauçuk lastik atıkları da dahil olmak üzere herhangi bir karbon içeriği olan maddeleri grafene dönüştürdük.” Grafenin şuanki fiyatı 67.000 ila 200.000 dolar olduğundan dolayı bu sürecin iyi sonuçlar doğuracağı düşünülmektedir.
İnşaat sektöründe betonu bağlamak için çimento
kullanılmaktadır. Çimento üretimi sırasında doğaya
kullanılabilir. Flaş prosesinde üretilen grafen de atık maddelerdeki karbondioksit ve sera gazları grafene hapsedildiği için çimento ile karşılaştırıldığında grafen daha çevreci bir malzemedir. Grafen ayrıca daha pahalı bir madde olduğu için atık maddelerden üretilmesi ile maliyeti de azaltılmış olacaktı.
Flaş prosesi açıklanacak olursa; malzemeyi hızlı bir şekilde ısıtan ve karbon olmayan tüm elementleri gaz olarak yayan özel bir reaktör tasarlanmış ve işlem bu reaktörde gerçekleştirilmektedir. Bu proses ilerleyen dönemlerde sanayileştiğinde oksijen ve azot gazları gibi küçük moleküller depolanabilir. Prosesteki fazla enerji ışık olarak yayılmaktadır ve herhangi bir çözücüye ihtiyaç duyulmadığı için temiz bir süreçtir.
Tour, ABD kaynaklı kömürü dönüştürmek için Enerji Bakanlığı ile bir projeye başlayacak ve bu projeye göre Flaş prosesi ile günde bir kilogram grafen üretmeyi umut etmektedir. Yetkililer bu durum için, “Bu proses ile çok daha yüksek değerli inşaat malzemesine dönüştürülerek kömür çıkışı sağlanabilir.” görüşünü sunmuşlardır.
KÜTLE SPEKTROMETRİSİ’NİN METABOLOMİK UYGULAMALARI
Metabolomik; belirli bir zaman diliminde dokularda, hücrelerde ve fizyolojik sıvılarda lipit, karbohidratlar, vitaminler, hormonlar ve diğer hücre bileşenlerinden ortaya çıkan küçük moleküllü metabolitlerin yüksek verimli teknolojiler kullanılarak saptanması, miktarının belirlenmesi ve tanımlanmasıdır[1].
Metabolit; canlılarda çeşitli tepkimeler sırasında ortaya çıkan ve normal olarak vücutta birikmeyerek başka bileşiklere dönüşen kimyasal bileşiklerdir[1]. Metabolom; belirli bir biyolojik örnekteki tüm metabolitlerin toplamını temsil eder[2].
Metabolomikte incelenen küçük moleküller ise[3];
* Peptitler * Oligonükleotidler * Şekerler * Nükleozidler * Organik asitler * Ketonlar * Aldehitler * Aminler * Amino asitler * Lipitler * Steroidler * Alkaloidler * İlaçlar
1971 yılında, Arthur Robinson ve Linus Pauling vücut sıvılarındaki metabolitleri kalitatif ve kantitatif olarak değerlendirmişler.
Aynı yıl ilk kez, Horning (1971) gaz kromatografisi (GC) tekniğini kullanarak hasta idrar ve doku örneklerinden metabolik profil çıkararak bu terimi literatüre kazandırmışlardır[5]. Metabolomik analizler; * Serum * İdrar * Beyin omurilik sıvısı * Plazma * Tükürük gibi vücut sıvılarında yapılabilir[4].
METABOLOMİK NEDEN GEREKLİDİR?
* Metabolom, gen fonksiyonundan daha da aşağıdadır ve bir hücrenin işlevsel seviyedeki aktivitelerini daha yakından yansıtır. * Metabolomikler, transkriptomik ve proteomik çalışmalar ile birlikte değerlendirildiğinde anlamlı olabilirler[2].
* Bir metabolit birden fazla metabolik yoldan gelebilir ve sadece o metabolit için tüm metabolomu çalıştığımızda hangi yollara dahil olduğunu tanımlanabilmektedir.
* Metabolitler geniş bir aralıkta moleküler ağırlığa ve konsantrasyondaki büyük değişikliklere sahiptir.
* Metabolom proteom ve genomdan daha fazla dinamiktir, ve bu metabolomu çok daha fazla hassas yapmaktadır.
* Metabolitler, polar veya non-polar ya da organik veya inorganik moleküller olabilir bu, kimyasal ayrım metabolomikte önemli bir basamaktır.
* Metabolitler değişken kimyasal yapılara sahiptirler, bu durum MS kullanılarak yapılan tanımlamalarda zorluklara neden olmaktadır[2].
METABOLİKTE KÜTLE SPEKTROMETRİSİNİN ÖNEMİ
Metabolomik alan, son on yılda, temel ve yaşam bilimleri ve ötesindeki geniş bir alana yayılan önemli uygulamaların da katlanarak arttığını görmüştür[6]. Metabolomik, biyoloji, kimya ve matematik içeren multi-disipliner bir bilimdir. Çok değişkenli veri analiz yöntemleriyle birleştirilmiş kromatografi, moleküler spektroskobi ve kütle spektrometrisi gibi analitik tekniklere ihtiyaç vardır. Metabolomik çalışmalarında esas olarak iki teknoloji kullanılmaktadır. [1]
Metabolomik bir hücrede, dokuda veya biyolojik sıvılarda bulunan tüm metabolitlerin;
• NMR • GC-MS (gaz kromatografi-kütle spektrofotometri • LC-MS (sıvı kromatografi-kütle spektrofotometri) gibi yüksek verimli teknolojilerle kısa sürede analiz yapılması, doğru ayrılması, tanımlanması ve ölçülmesidir[7].
GC MS/ NMR/ LC MS Cihazları
Kütle spektrometrisi (MS) metabolomikte en güçlü ve yaygın olarak kullanılan analitik yöntemlerden biridir. MS'in yüksek hassasiyeti, tipik bir örnekte yüzlerce metabolitin rutin analizini mümkün kılar. Doğasında önemli ölçüde daha yüksek hassasiyet ve hızlı veri toplama sayesinde MS, metabolomik alanında giderek daha baskın bir rol oynamaktadır.
Çok sayıda ve yaygın insan hastalığını teşhis etmek ve yönetmek için basit yöntemler geliştirme ihtiyacı ile hareket eden kütle spektrometrisi, enstrümantasyon, deneysel yöntemler, yazılım ve veritabanlarındaki ilerlemelerle muazzam bir büyümeye tanık olmuştur[8].
Metabolomik, biyoloji, kimya ve matematik içeren multi-disipliner bir bilimdir. Çok değişkenli veri analiz yöntemleriyle birleştirilmiş kromatografi, moleküler spektroskopi ve kütle spektrometrisi gibi analitik tekniklere ihtiyaç vardır. Metabolomik çalışmalarında esas olarak iki teknoloji kullanılmaktadır. Bunlar; NMR ve değişik kütle spektrometrik yöntemlerdir.
KÜTLE SPEKTROMETRİSİ TEMELLİ METABOLOMİK
Kütle spektrometrisinde çok fazla yöntem bulunmaktadır. Aşağıdaki şekilde de metabolikte kullanılan kütle spektrometrisi temelli yöntemler bir tablo halinde verilmiştir. Ayırma temelli ve ayırma yapılmadan da kendi içerisinde de ikiye ayrılmaktadır. Her yöntemin farklı bir özelliği vardır ve farklı amaçlar için kullanılmaktadır.
2005 yılında, ilk metabolomik web veri bankası METLIN, insan metabolitlerini tanımlamak üzere The Scripps Research Institute tarafından kullanıma
açıldı. Bu sitede 10.000’den fazla metabolit ve kütle spektrometri verileri bulunmaktaydı[10,11].
Nisan 2016 tarihi itibariyle, METLIN veri bankasındaki: Metabolit sayısı = 242032 High resolution MS/MS data = 72268
METABOLOMİK VE KANSER Günümüzde kanser terapisi, geleneksel herkese uyan bir yaklaşımla sınırlı kalmaktadır. Kanser tedavisi için daha iyi tedavilerin tanımlanması, bu nedenle, her bir kanser hastası veya hasta grubuyla ilişkili spesifik biyokimyasal imzaların karakterizasyonu ile ilgili yeterli veri eksikliği ile sınırlıdır.
Metabolomik yaklaşımlar, tek tek metabolitlerin konsantrasyonundaki değişikliklerin yanı sıra biyokimyasal yollardaki değişikliklerin yanı sıra metabolit ekspresyon paternindeki değişiklikleri tanımlayarak, biyoenerjetik metabolizmada önemli değişiklikler ile karakterize bir hastalık olan kanserin daha iyi anlaşılmasını vaat etmektedir. karakterizasyonuna dayanan daha spesifik tanı yöntemlerinin geliştirilmesi, verilen tedavinin yanıtı değerlendirmek için halihazırda kullanılan kanser terapötiklerinin izlenmesi ve belirli bir terapi ile prognostik sonuç dahil olmak üzere farklı klinik uygulamalarla yeni biyobelirteçleri tanımlama potansiyelini taşımaktadır[12].
2005 yılında Massachusets Teknoloji Enstitüsü’nün yeni ortaya çıkardığı yeni 10 teknoloji arasında metabolomikte yer almaktadır. Kanada’ da Alberta Üniversitesi’nde inovasyon projesi olarak İnsan Metabolom Projesi 2007 yılında tamamlanmıştır. 2500 tane metabolit tanımlanmıştır. Bu projeler ve yenilerinin sonuçlanması ile;
• Yeni veri tabanları • Yeni teknolojiler • Yeni biyobelirteçler • Yeni ilaç hedef metabolitler • Yeni metabolik yollar ve ilaç direnç mekanizmaları tanımlanabilecektir.
Metabolomik aynı zamanda tıbbı kişiselleştirmeye doğru atılan bir adımdır[7].
Metabolomik teknolojilerinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar devam etmektedir. Başta kanser olmak çeşitli hastalıklar üzerine çalışmalar gelecek için
Kaynaklar çok önemlidir. Yaşam bilimlerinin gelişmesinde kütle spektrometrisinin yeri ve önemi daha da fazla olacaktır.
1.Başaran, E., Aras, S., & Cansaran-duman, D. (2010). Genomik, proteomik, metabolomik kavramlarına genel bakış ve uygulama alanları. Türk Hijyen ve Deneysel Biyoloji Dergisi, 67(2), 85-96. 2.http://www.nefroloji.org.tr/pdf/kongre2018/2018-Engin_Yilmaz.pdf 3.https://slideplayer.biz.tr/slide/10295190/ son erişim tarihi: 18.01.2020 4.https://slideplayer.biz.tr/slide/10295190 5.Novotny; Soini, Helena A.; Mechref, Yehia; et al. (2008). "Biochemical individuality reflected in chromatographic, electrophoretic and mass-spectrometric profiles". J Chromatog B 866: 26–47. 6.Raftery, D. (2016). Mass Spectrometry in Metabolomics. Humana 7.Özkara H. A.,(2008). Gelişen Klinik Biyokimya: Metabolomik. Hacettepe Tıp Dergisi 39(1):4-8 8.Putri, S. P., & Fukusaki, E. (2016). Mass spectrometry-based metabolomics: a practical guide. CRC Press 9.Ren, J. L., Zhang, A. H., Kong, L., & Wang, X. J. (2018). Advances in mass spectrometry-based metabolomics for investigation of metabolites. RSC advances, 8(40), 22335-22350 10.Smith CA, I'Maille G, Want EJ, Qin C, Trauger SA, Brandon TR, Custodio DE, Abagyan R, Siuzdak G (December 2005). "METLIN: a metabolite mass spectral database" (PDF). Ther Drug Monit 27 (6): 747–51. 11.https://metlin.scripps.edu/index.php 12.Puchades-Carrasco, L., & Pineda-Lucena, A. (2017). Metabolomics applications in precision medicine: An oncological perspective. Current topics in medicinal chemistry, 17(24), 2740-2751
Selinay Özel Kimya Mühendisi (Yüksek Lisans Öğrencisi) selinayozel95@gmail.com
ÇEVRE DOSTU BİR ALTERNATİF OLAN YENİ BİYOBOZUNUR YAPIŞTIRICI
Geleceğin plastikleri, insan vücudunun sağlığı ve gezegen için biyolojik olarak parçalanabilen ve güvenli malzemelerden oluşmalıdır. Plastiklerin her gün gerçekleştirdiği önemli bir iş, yapışkan olan Post-it notları, Scotch tape ve hatta Band-Aids üzerinde çeşitli yüzeylere yapışmasını sağlamaktır. Boston Üniversitesi’nden Mark Grinstaff ve plastiklere çevre dostu alternatifler bulmak için çalışan araştırmacı ekibi, yapıştırma gücüne sahip ancak dayanmayan bir yapıştırıcı tasarlamak için yola çıktı- tamamen doğal olarak türetilen kimyasal bileşenlerden oluşan kullanımın ardından biyolojik olarak parçalanabilir bir malzeme.
Mark Grinstaff ve araştırma ekibi plastiklere çevre dostu alternatifler bulmak için çalışıyor. İki yıl süren deneylerden sonra, Grinstaff’ın ekibi tamamen doğal olarak türetilmiş kimyasal bileşenlerden yapılan biyolojik olarak parçalanabilen alternatif bir yapıştırıcı tanıttı. Nature Communications’da yayınlanan ekip, yapıştırıcının formülünün yapışkan malzemelerden yararlanan çok çeşitli endüstriyel ve tıbbi uygulamalara kolayca uyum sağladığını söylüyor.
Bir sanat ve bilim fakültesi profesörü olan Boston Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nden seçkin araştırma profesörü Grinstaff, “Performans açısından beklediğimiz özellikleri korurken, çevre için daha iyi bir şey ile parçalanamayan mevcut malzemeleri değiştiriyoruz” diyor. “Her ikisine de sahip olabiliriz, sadece bunu nasıl yaptığımız konusunda akıllı olmalıyız.”
Önce polimerler – kimyasal olarak bağlanmış büyük moleküler yapılar- ile çalışan Grinstaff’ın laboratuvarında çalışırken organik kimya doktorasını kazanan Anjeza Beharaj, “Plastik bağlayıcıları duvara yapıştıracak boyalarda taklit etmek istedik” diye açıklıyor.
Polimerlerin genellikle plastikle eşanlamlı olduğu düşünülse de, doğal olarak türetilmiş malzemelerden de yapılabilirler – DNA’mız bile bir polimer olarak kabul edilir. Etkili bir şekilde bugün piyasada olan plastik gibi bazlı ürünler yerine biyolojik polimerler yapılmış yapışkan bir sistem geliştirmek için Beharaj ve Grinstaff, yakın zamanda Boston Üniversitesi’nde kimya alanında doktora kazanan lisans araştırmacısı Ethan McCaslin ve William A. Blessing ile birlikte çalıştılar.
yapıştırıcının yaklaşık yüzde 20 ila 40’ı CO 2 ‘den oluşur. “Karbonu atmosferde kirletici bir gaz olarak
düşünme eğilimindeyiz ve aşırı miktarda iken olabilir.
Ancak heyecan verici olan şey, bu malzemenin
atmosfere gidecek olan karbondioksiti yeniden
oluşturması, petrol rafinerileri ve üretim tesislerinin
gazı çevre dostu polimerler için yeniden kullanma
potansiyeli olmasıdır. Bu nedenle, CO 2 ucuz bir hammadde olduğundan potansiyel olarak malların
fiyatını düşürebilir. Böylece çevre ve tüketici için bir kazanç haline gelir.”
Grinstaff ve Beharaj, yüzlerce yıldır depolama alanlarını kirleten plastikten farklı olarak, yapıştırıcılarının çevrede tamamen parçalanmasının bir yıl veya daha az süreceğini tahmin ediyor.
“Bu, şu anda bilim topluluğu için bir öncelik olması gereken ürünleri daha yeşil hale getirme yolunda iyi bir ilerlemeyi temsil ediyor” diyor McCaslin.
Ek olarak yapıştırıcının, “daha fazla araştırmacıya, ürünleri daha çevre dostu hale getirmek için benzer bir hedefe doğru çalışmaya ilham vereceğini ” umut ediyor.
Grinstaff’ın ekibi, biyobozunur yapıştırıcı çözümünün
Haberi Çeviren : Kübra Yıldız
Her bir yapıştırıcı grubundaki polimer ve CO 2 oranını ayarlayarak, malzemenin yapışmasını daha güçlü,
daha zayıf veya belirli yüzey tiplerine cevap verebilir hale getirebilirler. Yapışkan mukavemeti, yapışkan banttan kalıcı ahşap tutkalına kadar değişebilir ve metal, cam, ahşap, teflon ve hatta ıslak yüzeylere yapışacak şekilde uyarlanabilir.
Beharaj’a göre, doğal olarak türetilmiş ve biyolojik olarak bozunur malzemelerin insan vücudunda veya içinde kullanılması tamamen güvenlidir. Yapıştırıcılar, kemiği bir arada tutmak için ameliyatlarda kullanılan metalin yerine geçerek bazı cerrahi prosedürleri daha az invazif hale getirebilir. Ayrıca kesikler, sıyrıklar, yaralar veya cerrahi sonrası kesileri korumak için cilt yüzeyinde de kullanılabilirler.
Böyle büyük bir olasılık dizisi ile bir sonraki adım, yapıştırıcıları kullanmanın ve pazarlamanın en iyi yolunu bulmaktır.
“Şu anda asıl soru en iyi uygulamayı bulmak. İhtiyaçların farklı topluluklar için ne olduğunu öğrenerek başlayacağız” diyor Grinstaff. “Cerrahi alandaki insanlar ambalajdaki birinden farklı bir fikre sahip olacaklar, ancak her iki pazara da hitap edebiliyoruz.”
