2014 yılı, Uluslararası Kristalografi Birliği ve Birleşmiş Milletler Eğitim, Bilim ve Kültürel Örgütü (UNESCO) tarafından “Uluslarası Kristalografi Yılı” ilan edildi. 2014 yılı olmasının nedeni ise W. Henry Bragg ve W. Lawrence Bragg baba-oğul ikilisinin “X-ışını kristalografisi” bilim dalının doğumuna zemin hazırlayan keşfi; Bragg Kanunu. Bragg’ler, 1913’te yayımladıkları çalışmalarını 1915’te Nobel Ödülü’yle taçlandırarak tüm bilim dünyasına duyurdular ve bu alandaki birçok yeni çalışmanın önünü açtılar. Yine kristalografi alanındaki önemli keşfiyle Dorothy Hodgkin’in Nobel ödülüne layık görülmesinin 50. yılı olma özelliğini taşıyan 2014 yılı, Hodgkin ve baba-oğul Bragg’lerin çalışmalarını onurlandırmak amacıyla kristalografinin 100. yılı ilan edildi.

Kristalografi neden bütün bir yıl boyunca etkinliklerle kutlanacak kadar önemli? Kristalografi, en basit tarifiyle, kristallerin yapısıyla ilgilenen bir bilim dalıdır. Günlük hayatımızda kullandığımız ister doğal, ister sentetik olsun, farklı kimyasal, elektriksel ya da manyetik özellikler sergileyen tüm malzemelerde atomların ya belli bir düzende sıralandıklarını, ya da malzeme içinde düzensiz (amorf) bir şekilde dağıldıklarını görüyoruz. Malzemelerde gözlemlediğimiz farklı özellikler, malzemenin hem elektron konfigürasyonu, hem atomların nasıl bir düzende dizildikleri, hem de malzemenin mikro ve makro ölçekteki içyapıları tarafından belirleniyor. Bir malzemenin özelliklerinin belirlenmesindeki temel etkenlerden biri olan atomların malzeme içindeki konumları, kristalografinin temel çalışma alanı olması nedeniyle, kristalografinin malzemelerin özelliklerini anlayabilmemize olanak sağlayan, oldukça önemli bir çalışma alanı olduğunu söyleyebiliriz. Diğer bir deyişle, kristalografi sayesinde, atomların konumlarını “görebiliriz”.

Yapay renklendirilmiş bu elektron mikroskobu görüntüsünde, mavi bölge kristal yapıyı, sarı bölge amorf bölgeyi gösteriyor. Yuvarlak ve parlak olarak görünenler ise atomlar.

Yapay renklendirilmiş bu elektron mikroskobu görüntüsünde, mavi bölge kristal yapıyı, sarı bölge amorf bölgeyi gösteriyor. Yuvarlak ve parlak olarak görünenler ise atomlar.

Kristal yapıdaki malzemelerde, malzemenin kristal yapısını birbirini sürekli tekrar eden “birim hücreler” üzerinden tarif edebiliyoruz. Bu birim hücreleri, atomlardan oluşan düzlemlerin belli mesaflerle birbirlerinden ayrıldığı yapılar olarak tarif edebiliriz. Örneğin, her köşesinde bir atom bulunan iki kare paralel konumlanıp, aralarına bir atom daha alarak birbirinden 2,87 Å uzakta durduklarında ortaya çıkan küp şeklindeki birim hücre, demir elementinde tekrar eden kristal birim hücresidir. Lawrence Bragg’ın formülleştirdiği kanun, işte böyle bir birim hücredeki düzlemlerin arasında kalan mesafeyi esas alır. Bragg Kanunu ile bu düzlemler arasındaki mesafeler tespit edilerek, o malzemenin hangi elementlerden ya da bileşiklerden oluştuğu bulununabilir. Her bir elementin atomları arasındaki bağ özellikleri (kuvvet, uzunluk, polarite gibi) farklı olduğundan, düzlemler arası uzaklıklar ve dolayısıyla birim hücreler de farklılık gösterir. Örneğin sodyum (Na) elementi 4.29 Å kenar uzunluğuna (yani kafes sabitine) sahip hacim merkezli kübik birim hücrelerden oluşurken, sofra tuzu olarak da bildiğimiz sodyum klorür (NaCl) 5,64 Å kenar uzunluğuna sahip yüzey merkezli kübik birim hücrelerden oluşur.

Sodyum elementi (üst sıra) ile sodyum klorür bileşiğinin (alt sıra) kristal yapıları

Sodyum elementi (üst sıra) ile sodyum klorür bileşiğinin (alt sıra) kristal yapıları

Kristalografinin Temelleri

Kristallerle birçok yerde karşılaşabiliriz: kar tanelerinden sofra tuzuna, jeolojik kayalardan ve minerallerden deniz kumuna kadar birçok yerde. Hatta vücudumuzdaki biyolojik yapıların çoğu da kristallerden oluşur. Tarih öncesinden beri, bu simetrik oluşumlar insanların dikkatini çekmiştir. Kristaller üzerine yapılan ilk ciddi araştırma, bir matematikçi ve astronom olan Johannes Kepler’in Altı-köşeli Kar Taneleri Üzerine (Strena seu de nive sexangula) adlı çalışmasıdır. Kepler, Prag’daki Charles Köprü’sünden geçerken ceketine düşen kar tanelerini farkedip, gördüğü tüm kar tanelerinin neden hep 6 köşeli olduğunu merak etmeye başlar. Bu merakını 1611’de bir arkadaşına hediye olarak verdiği 24 sayfalık el kitabında “Neden hep altı? Beş köşeli ya da yedi köşeli değil. Altı-köşeli bir yıldızcığın mutlaka bir nedeni olmalı.” sözleriyle dile getirdiğini görebiliriz.

Kristalografi, bu temellerin üzerine kurularak gün geçtikçe öyle ilerledi ki, günümüzde artık istenilen özellikte bir malzeme üretilirken bu bilim dalından etkin bir şekilde yararlanılıyor. Atomların nerede hangi atomlarla bağ yapacağına bile müdahele edilerek, aynı malzemenin farklı özellikteki türevleri elde edilebiliyor. Bunun en güzel örneklerinden biri karbon elementinin aldığı değişik formlardır. En yaygın bilinen örnek olarak, grafit-grafen ikilisindeki karbon atomlarının farklı konumlarda bulunmasını ve bu farktan doğan farklı özellikleri gösterebiliriz.

Kristalografinin doğuşu, X-ışınlarının keşfiyle devam etti. 1895’te Wilhelm Röntgen’in X-ışınlarını keşfetmesi ve insan vücudunun iç yapısını görüntüleyebilmesi; ardından 1912’de Max von Laue’nin bu ışınların dalga boyunun kristallerdeki atom düzlemleri arasındaki mesafelerle kıyaslanabilir olduğunu tespit etmesi, kristalografide adeta bir sıçrama etkisi yarattı. Laue’nin bu keşfi, baba-oğul Bragg’lerin de ilgisini çekti. Hatta W. Lawrence Bragg, Nobel Ödülü aldıktan sonra yaptığı konuşmada, yaptıkları keşfi Laue’nin çalışmalarına borçlu olduklarını ve Laue’nin keşfinin bilim tarihinde eşsiz bir çalışma olarak sayılması gerektiğini belirtti. Laue’nin çalışmalarından heyecan duyan bu ikili, girişim şekillerinden yola çıkarak, malzemeleri oluşturan birim hücreler hakkında nasıl fikir sahibi olunabileceğini gösteren ilk çalışmalara imza attı. Bu ikili her ne kadar birlikte çalışsa da, aralarında bazı fikir ayrılıkları da bulunuyordu: Henry Bragg, X-ışınlarının parçacık olarak hareket ettiğini düşünüyor ve oğlu Lawrence Bragg’e bu ışınların kristal içindeki “bulvarlardan” (avenues) geçtiğini anlatıyordu. Ancak oğlu, X-ışınlarının parçacık hareketinin aksine dalga hareketi yaptığını savunuyordu.

Solda W. Henry Bragg ve sağda W. Lawrence Bragg.

Solda W. Henry Bragg ve sağda W. Lawrence Bragg.

Çalışmaları sonucunda, Lawrence Bragg X-ışınları ve kristaller arasındaki ilişkiyi formülleştirerek, 1913’te makale olarak yayımladı. Bugün de kullandığımız X-ışını kırınımı spektroskopisi gibi karakterizasyon yöntemlerinin temeli, Bragg Kanunu’na dayanır. Baba-oğul bu büyük keşif sonrasında çalışmalarına devam ederken, birçok bilim insanın çeşitli bilim dallarında kristalografiyi kullanarak büyük keşifler yapabilmesinin de önünü açmış oldular.

Özellikle L. Bragg’ın Kraliyet Enstitüsü’ndeki derslerine yılda yirmi bin civarı öğrencinin katıldığı, bilimi ve kristalleri çocuklara anlatmak için derslerinde çeşitli gösteriler düzenlediği biliniyor. Bu ikili, B12 vitamininin moleküler yapısı üzerine yaptığı çalışmalarla 1964’te Nobel Kimya Ödülü’ne layık görülen Dorothy Hodgkin gibi birçok öğrenciyi bilime ve kristalografiye teşvik ederek, birçok bilim insanı yetiştirmişlerdir. Yaptıkları bu keşif, eğitime verdikleri önem ve yetiştirdikleri bilim insanlarıyla Bragg ikilisi, bilim dünyasında önemli bir yere sahiptir. Kristalografi gibi yeni bir bilim dalının doğmasını sağlayarak, bu yeni bilim dalı sayesinde dolaylı yoldan da olsa dünyayı değiştirmeye başlarlar. Şimdiye kadar 45 bilim insanının kristalografi ve ilgili alanlarda yaptıkları araştırmalarla Nobel Ödülü’ne layık görülmesi de bu bilim dalının ve yapılan çalışmaların önemini gösteriyor.

Bragg Kanunu’nu sayesinde kristallerin sırları keşfedilip, birçok alanda farklı çalışmalar yapılmaya başlandı. Bu çalışmalar sayesinde, artan dünya popülasyonuyla ortaya çıkmaya başlayan günümüzün birçok sorunu için çözümler üretilmesi mümkün olabiliyor. Örneğin, sert çevre koşullarına dayanıklı tohumlar üretilmesi; bitki ve hayvan hastalıkları için ilaç geliştirilmesi; süt, et, sebze veya diğer bitkilerin üretiminde görev alan bakterilerin geliştirilmesi; su sıkıntısı görülen bölgeler için su filtrelerinin üretilmesi gibi çözümler yanında, besin kaynaklarındaki sorunlara çare olacak ve evlerdeki enerji tüketimini ve karbon salımını azaltacak çözümler kristalografi sayesinde mümkün olabilir.

Yıl Boyunca Destek Verilecek Etkinlikler

2014 yılının Uluslararası Kristalografi Yılı ilan edilmesindeki amaç, topluma kristalleri tanıtmak ve kristalografi biliminin ne kadar önemli olduğunu anlatmak. Bu kapsamda yıl boyunca bu amaca yönelik etkinliklerin hazırlanması teşvik edilecek. İlaç tasarımında protein kristal yapıları, sanatta kristalografi ve simetri, sanat eserleri ve tarihi eserlerin kristalografik analizinin yapılması gibi çeşitli konularda konferansların yapılması da teşvik edilecek. Kristalografinin hangi alanlarda ve çalışmalarda kullanılabileceğini gösteren sergilerin düzenlenmesi ya da gelişmekte olan ülkelerde kristalografi merkezlerinin açılması ve kristalografi alanındaki bilimsel çalışmaların desteklenmesi gibi destekler de bu etkinlik kapsamında sağlanacak.

Türkiye’de şu ana kadar planlanan ve duyurulan tek etkinlik, 17 – 19 Mayıs tarihleri arasında Dicle Üniversitesi’nde düzenlenecek olan 4. Ulusal Kristalografi Toplantısı (http://www.tucr2014.org/tr/). Üniversiteler başta olmak üzere birçok eğitim kurumu ve çeşitli topluluklar da basit, kolay ama öğretici etkinliklerle Uluslararası Kristalografi Yılı’nı kutlayıp, bu bilim dalının toplumdaki farkındalığını arttırabilir. Etkinlik düzenlemeye yardımcı olabilecek pratik bilgilere, etkinliğin resmi internet sitesi http://www.iycr.org bağlantısından, Türkiye’deki etkinliklere ise http://iycr2014.org/countries/turkey bağlantısından ulaşabilirsiniz.

2014 Uluslararası Kristalografi Yılı’nız kutlu olsun!

Dipnot:

X-ışını: Elektromanyetik ışınımın 0.01 – 10 nm arasındaki bölümünü kapsayan bir ışık türü olarak ifade edilebilir. Gözlerimiz elektomanyetik ışınımın “görünür ışık” bölümünü görebilirken, X-ışınlarıyla gören gözlerimiz olsaydı atomları bile görebilecektik.

Kristal: 3 boyutlu belirli geometrik şekle sahip, düz kenarları ve pürüzsüz yüzeyleri olan katı maddeler. Tüm kristaller, belli bir düzene göre dizilen atom, iyon ya da moleküllerden oluşur.

Kırınım: Dalgaların küçük aralıklardan geçerken doğrusal olan yollarından sapmaları. Kırınımın olması için aralığın genişliği dalganın dalgaboyundan küçük ya da ona yakın olması gerekir.

Girişim: İki ya da daha çok dalganın aynı anda aynı noktaya gelmesiyle birbirlerini sönümle yok etmesi ya da kuvvetlendirmesi.

Kaynaklar:

1. 2014 Uluslararası Kristalografi Yılı El Kitapçığı:
http://iycr2014.org/__data/assets/pdf_file/0010/78544/220914E.pdf
2. 2014 Uluslararası Kristalografi Yılı resmi internet sayfası: http://www.iycr2014.org
3. Cullity, B. D., Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1956.
4. İngiliz Kristalografi Birliği’nin (British Crystallographic Association – BCA) 2014 Uluslararası Kristalografi Yılı için hazırladığı internet sitesi: http://learn.crystallography.org.uk/


Editörün notu: Bu yazı, konuk yazar Seda Oturak tarafından kaleme alınmıştır.

Yazar hakkında

Seda Oturak

Seda Oturak hakkında bilgi için LinkedIn profilini ziyaret edebilirsiniz.