18 Nisan 2018 Çarşamba

Kovalent Bağların İyonikliğinden, Hidrojen Bağlarının Kovalentliğine Kuantum Fiziği - epiSTEM Türkiye


Hidrojen bağları kimyasal olarak epey zayıf, biyolojik olarak ise oldukça önemlidir. Her şeyden önce suyu canlılar için bu kadar hayati ve benzersiz yapan fiziksel özelliklerinin çoğu molekülleri arasındaki hidrojen bağları ile ilgilidir. Ayrıca yeterince zayıf olmaları kendileri üzerinden gerçekleşen etkileşimlere bir esneklik verir ki bu onları hem biyolojik organizasyonda, hem de biyomoleküler tanımada baş tacı yapar. Bu bağlamda benim aklıma ilk gelen genetik malzememiz DNA'da oynadıkları rol: DNA sarmalının çift zincirini bir arada tutan da hidrojen bağlarıdır, DNA'nın bir zincirindeki kalıtsal bilginin okunup protein sentezinde kullanılmasını sağlayan da.

Peki, su ve DNA gibi hidrojen bağlarının merkezi bir rol oynadığı (biyo)kimyasal sistemlerde bu bağlar kurulurken olup biteni elektronların seviyesine inip izlemeyi denesek ne görürdük? Tünelleme, süperpozisyon, dolaşıklık gibi gündelik algılarımızla uyuşmayan kuantum mekaniksel olgularla karşılaşır mıydık? Daha da önemlisi, elektronların bu sistemlerde klasik fiziğin hareket yasalarına göre değil de kuantum fiziğinin yasalarına göre hareket etmesi tekrar biyomoleküler ölçeğe çıktığımızda anlamlı bir fark yaratır mıydı?

Gelin hep beraber bu soruların cevaplarını arayalım. Fakat elektronların davranışları üzerinde kuantum fiziğinin yasalarının belirleyiciliğini ve bunun atomik/moleküler ölçekte karşılığını önce atomlar arasındaki kovalent bağlarda, sonra moleküller arasındaki hidrojen bağlarında inceleyelim.

Kimyasal Bağ 

Atom ya da molekül gibi iki kimyasal birim arasındaki etkileşimde her türlü net çekim kimyasal bir bağ olarak tanımlanabilir. Fakat daha sonra göreceğimiz gibi net kuvvet üzerinden tanım yapmak bazen kafa karıştırıcı olabiliyor. Bu yüzden enerji üzerinden ilkine eşit şöyle alternatif bir tanım geliştirebiliriz: iki kimyasal birim bir araya geldiğinde toplam enerjileri azalıyorsa, yani daha kararlı bir duruma ulaşıyorlarsa, bileşkeleri de bağımsız bir kimyasal birim kabul edilebilir ve aralarındaki kimyasal etkileşim bir bağa karşılık gelir. 

Periyodik tablonun son sütununu dolduran soy gazlar, bütün elektronik orbitalleri dolu olduğu için en kararlı atomlardır. Diğer atomlar da aslında onlarınkine yakın bir elektronik kararlılığa ulaşmak için birbirleriyle bağ yapar. Bu bakımdan doğadaki en yaygın atomik etkileşimlerden birisi kovalent bağdır. Azami kararlılığa ulaşmak için kendince eksik birer elektronu olan iki atom bu iki elektronu çekirdekleri arasında ortaklaşa paylaşarak kovalent bir bağ oluşturabilir. Bakınız Şekil 1. Hidrojen bağlarına geçmeden önce bu bağların fiziğini ayrıntılı bir şekilde ele alacağız. Fakat önce alternatiflerine hızlıca bir göz atalım. 


Şekil 1: Kovalent bağ tasviri 

Genelde kovalent bağlardan biraz daha zayıf olan ve zıt elektrik yüklerin Coulomb kuvveti ile birbirini çekmesine dayanan, yani bir çeşit elektrostatik bağ olan, iyonik bağlar da atomların dünyasında oldukça yaygındır. İki atomun arasında bu tür bir bağın varlığından söz edilebilmesi için özünde yüksüz olan atomların önce zıt yükler ile yüklenerek iyonlaşması gerekir. Atomlardan birisinin kendince elektron eksiği varken diğerinin kendince elektron fazlası varsa, bir atomdan diğerine elektron transferi ile atomların iyonlaşması mümkün olabilir. Bu şekilde elektron kaybeden atom net bir artı yüke, elektron kazanan atom ise net bir eksi yüke kavuşur. Bakınız Şekil 2. Fakat eksik ve fazla elektron sayıları birbirine eşit olan her atom çifti iyonik bağ kuramaz. Çünkü her atomun iyonlaşması için gereken enerji bir değildir. Bazı fazla elektronlu atomlardan elektron koparmak görece kolayken, bazılarına bunu yapmak mümkün bile değildir. 


Şekil 2: İyonik bağ tasviri 

Bunların yanı sıra, bir de birden fazla atom çekirdeğinin net bir artı elektrik yükü gibi merkezde konumlandığı, dış kabuk elektronlarının hepsinin de net bir eksi yük olarak onların etrafında serbest bir şekilde dolaştığı metalik bağlar vardır. Aslında periyodik tablonun çoğunu metallerin doldurduğunu düşünürsek, onların arasında kurulan bu bağlar atomik dünyada en sık rastlanan kimyasal bağ türü olmalı. Fakat hidrojen bağlarını anlamak için - en azından bugün - onlara ihtiyacımız olmayacak. Ama şunu söylemeden geçmeyelim: bu yazının ilerleyen kısımlarında kısmen de olsa göreceğiz ki kovalent, iyonik ve metalik diye yaptığımız bu atomik bağ sınıflandırması aslında çok da katı sınırlar içermemektedir [1]. 

Biraz Kuantum Fiziği 

Şekil 1'deki gibi kovalent bağ tasvirleri zihinsel hijyene yeterince özen gösterilmemesi durumunda yanıltıcı, hatta aldatıcı olabilir. Bu tasvirlerde elektronların orijinal yörüngelerinden hiç ayrılmaması, iki yörüngenin kesişiyor gösterilmesi ve her elektronun bir kesişim noktası üzerinden her iki yörüngeye de dâhil edilmesi oldukça önemlidir. Özellikle de aslında karmaşık üç boyutlu şekillere sahip uzamsal hacimlere karşılık gelen kuantum mekaniksel orbitallerin klasik dairesel yörüngeler ile temsil edilmiş olduğunu düşünürsek. Bunlara dikkat edilmemesi durumunda, ortaklaşa paylaşılan elektron çifti atom çekirdeklerinin fiziksel olarak arasında ve yan yana (ya da üst üste) konumlanıyor gibi tasavvur edilebilir. Bu, ilk bakışta makul bir tasavvur gibi görünebilir: kovalent bağ, ortadaki eksi yüklü elektron çiftinin iki yanında kalan artı yüklü çekirdekleri çekmesinin bir temsili olarak düşünülebilir. Fakat bu tasavvurda büyük bir sorun var: elektron çiftinin bu şekilde konumlanması o kadar yüksek bir enerji gerektirir ki onları bir an bile orada tutmak neredeyse imkânsızdır. Peki, öyleyse kovalent bağda elektronlar tam olarak nasıl paylaşılmaktadır? 

Bu paylaşım klasik bir paylaşım değildir, tamamen kuantum fiziksel bir paylaşımdır. 

Kuantum fiziğinin elektronların atom içinde sadece orbitallerle sınırlı bölgelerde bulunabildiğinin, yani diğer yerlerde elektronun bulunmasının yasak olduğunun keşfi ile doğduğunu duymuş olabilirsiniz. Size bu noktada bir fizikçi sırrı vereyim: doğada karşılaştığımız her yeni yasak daha önce mümkün olacağını hayal bile edemeyeceğimiz bazı şeylerin gerçekleşmesine izin veriyor olabilir. Örneğin bağlı bir elektronun her yerde bulunmasını yasaklayan kuantum fiziği, aslında o elektronun birden fazla izinli yerde aynı anda bulunmasına da izin verebilir. Kovalent bağda paylaşılan elektronların başına gelen de fizikçilerin "kuantum süperpozisyon durumda bulunmak", kimyacıların ise daha çok “rezonans” olarak bildiği bu olgunun tam kendisidir. Bunu isterseniz (Dirac formalizmi diye bilinen bir temsil üzerinden) biraz karikatürleştirerek uzun uzun irdeleyelim. 

Şekil 1 ve 2’deki gibi kimyasal bağ kuracak iki atomu duruma göre X, Y veya Z ile etiketleyelim, üzerinden bağ kurulacak elektronları ise "·" ile gösterelim. Ayrıca, herhangi bir fiziksel durumu "|" ve ">" arasında yazarak temsil edelim. Bu temsilde Şekil 2’de tasvir edilen atomların iyonlaşarak elektrostatik bağ kurduğu süreci şöyle yazabiliriz: 

|X·> |Y> → |X+> |(Y·)-> . 

Elektronun konumunun ölçülmemesi şartıyla, kuantum fiziği yukarıdaki elektron transferinin aynı anda hem gerçekleşmiş, hem de gerçekleşmemiş olmasına izin verebilir. Yani elektronun X ve Y’nin orbitallerinde aynı anda bulunması mümkündür. Böyle bir süperpozisyon durumunu şöyle temsil edebiliriz:

a |X·> |Y> + b |X+> |(Y·)-> . 

Bu yazımda sadece a a* + b b* = 1 şartı bulunmaktadır. Çünkü elektronun konumu ölçüldüğünde bu süperpozisyon çöker ve elektronun a a* olasılıkla X’in orbitalinde, b b* olasılıkla Y’nin orbitalinde olduğu gözlenir.

Kuantum süperpozisyonu bu şekilde örnekledikten sonra Şekil 1’deki X–Z kovalent bağının temsiline geçebiliriz:

|X·> |Z·> → | X–Z > = a | X·–·Z > + b |X+> |(Z··)-> + c |(X··)-> |Z+> , 

a a* + b b* + c c* = 1. Buradaki ilk terim elektronların ortaklaşa paylaşımını anlatmaktadır. Son iki terimin varlığı ise kovalent bağın aslında biraz da, doğrusunu söylemek gerekirse tam olarak b b* + c c* olasılıkla, iyonik karakterde olduğu anlamına gelmektedir. Bağ türleri arasında çok da katı sınırlar yok demiştik ya daha önce, işte bunu kastetmiştik.

Sonunda kovalent bağdaki ortaklaşa elektron paylaşımının ne olduğunu açıklayabilirim size. Yukarıdaki ilk terim tam olarak aşağıdaki şekilde yazılabilir:

| X·–·Z > = d |X·> |Z·> + e |X·> |Z·> , 

d d* + e e* = 1. Yani her iki elektron da aynı anda her iki atomik orbitalde bulunur. Fakat konumlarını ölçmeye kalktığınızda onları asla aynı orbitalde göremezsiniz! d d* olasılıkla elektronlar orijinal atomik orbitallerinde, e e* olasılıkla ise karşı atomların orbitallerinde ölçülürler. Fakat iki elektron aslında özdeş olduğu için sizin ölçüm sonucunuz bunlardan hangisi asla bilemezsiniz. Zira onları gerçek hayatta yukarıdaki gibi kırmızı ve mavi renklerle boyama şansımız bulunmamaktadır.

Kovalent bağdaki elektron çifti paylaşımını gündelik algılarımızla daha uyumlu hale getirmek için, bağlı atomların bireysel orbitalleri üzerinden düşünmek yerine oluşan molekülün kendine özgü yeni orbitallere sahip olacağını varsayabiliriz. Tabii kovalent bağ sonucu zuhur eden moleküler orbitallerin her birisinin özünde mevcut atomik orbitallerin (farklı fiziksel durumlara karşılık gelen) farklı birer kuantum süperpozisyonu olması şartıyla. Bu şekilde iki yeni moleküler orbital tanımlayabiliriz: 1) elektron çiftinin içinde bulunduğu ve atomik orbitallerin enerjilerinden daha düşük enerjili bağlanma orbitali, 2) boş olan ve atomik orbitallerin enerjilerinden daha yüksek enerjili karşıt-bağlanma orbitali. Öyle ki elektronlardan birisine bile enerji verip onu karşıt-bağlanma orbitaline uyarırsanız moleküler yapı kararsızlaşacak, kovalent bağ kırılacak ve atomlar birbirinden ayrılacaktır.

Hidrojen Bağları

Şimdi bileşenlerinden birinin hidrojen olduğu bir X–H kovalent bağına bakalım:

| X–H > = a | X·–·H > + b |X+> |(H··)-> + c |(X··)-> |H+> , 

a a* + b b* + c c* = 1. Hidrojenin çekirdeğinde sadece bir tane proton olması onun elektronları çok zayıf çekmesine sebep olur ve bu yüzden herhangi bir ölçüm sonrasında iki elektronun da onun orbitalinde bulunma olasılığını neredeyse sıfır yapar. Yani aşağıdaki gibi b = 0 olarak kabul edilebilir:

| X–H > = a | X·–·H > + c |(X··)-> |H+> , 

a a* + c c* = 1. Şimdi bu kovalent bağın yanına bir orbitalinde iki tane elektron bulunan, yani temsilen |Y··> durumunda yazılabilen ikinci bir atom yaklaştıralım:

| X–H > |Y··> = a | X·–·H > |Y··> + c |(X··)-> |H+> |Y··> . 

İkinci atomun varlığında kovalent bağdaki elektron dağılımı f f* < a a*, g g* > c c* ve f f* + g g* = 1 olacak şekilde yeniden düzenlenecektir:

| X–H > |Y··> → f | X·–·H > |Y··> + g |(X··)-> |H+> |Y··> . 

Buradaki ilk terim herhangi bir etkileşim tarif etmemektedir. Fakat ikinci terim ortada kısmi artı yüklü hidrojen çekirdeğinin, solda kısmi eksi yüklü X atomunun ve sağda Y atomunun yalnız elektron çiftinin konumlandığı; yani hidrojen çekirdeği üzerinden net bir elektrostatik çekimin gerçekleştiği duruma karşılık gelir. f f* < a a* ve g g* > c c* olduğu için X atomu ve hidrojen arasındaki kovalent bağ biraz uzamış, hidrojen biraz Y atomuna yaklaşmış olmuştur. İşte bu, klasik hidrojen bağının tanımı olarak verilebilir. Çoğu kişi de hidrojen bağlarının bu tanım ile sınırlı olduğunu sanmaktadır. Fakat bu bağların kuantum fiziği üzerine konuşmaya daha hiç başlamadık bile.

Şekil 1'deki kovalent bağ tasvirinde yörüngelerin kesişmesi atomik orbitallerin örtüşmesini temsil ediyordu. Elektron paylaşımına izin veren ve moleküler orbital tasavvuruna meşru bir zemin sağlayan da bu örtüşmeydi. Benzer şekilde hidrojen bağlarında X–H molekülünün boş olan karşıt-bağlanma orbitali ile Y atomunun yalnız elektron çiftinin atomik orbitali de örtüşebilmektedir. Bu örtüşme sonucu yalnız elektron çifti kendilerinin orjinal Y atomu orbitali ile X–H molekülünün karşıt-bağlanma orbitalinin bir kuantum süperpozisyon durumunda bulunabilecektir. Yani aynı anda hem ikisi birden oldukları yerde kalabilecek, hem de birisi X–H molekülünün karşıt-bağlanma orbitaline transfer edilebilecektir. Bunu şu şekilde karikatürleştirebiliriz:

| X–H > |Y··> → h | X·–·H > |Y··> + j |(X··)-> |H+> |Y··> + k | (X·–·–·H)- > |(Y·)+> , 

h h* + j j* + k k* = 1. Bu süperpozisyondaki ilk ve son terimin birlikte varoluşu hidrojen bağının doğasının kısmen kuantum fiziksel olması anlamında "hidrojen bağının kovalentliği" olarak adlandırılan olgudur. Bu olgunun ilk deneysel gösterimi su buzundaki hidrojen bağları incelenerek yapıldı ve 1999 yılında Physical Review Letters dergisinde yayınlanandı [2]. Aynı yıl yayınlanan bir kuantum kimya hesabı sonucuna göre de DNA çift zincirini bir arada tutan hidrojen bağlarında net bir çekici etkileşim olmasının hidrojen bağlarının kovalentliği olmaksızın açıklanamayacağı iddia edildi [2]. Bu iddia da, hidrojen bağlarının kovalentliğinin kapsamı da o günden beri kuantum kimyacılar arasında tartışılmaya devam ediyor. Özellikle ikincisi için güzel bir özet Kaynak [3]'te bulunabilir.

Yazıyı dikkatli okuyanların gözünden kaçmış olamaz, X–H molekülünün karşıt-bağlanma orbitalindeki elektron varlığı X atomu ile hidrojen arasındaki kovalent bağı kırma potansiyeline sahiptir. Peki, bu kırılma gerçekleşirse ne olur, yine de kararlı bir hidrojen bağı kurulabilir mi?

Hidrojen atomunun çekirdeğini oluşturan proton X ve Y atomlarına ayrı ayrı kovalent olarak bağlı olma durumlarının kuantum süperpozisyonunda bulunursa neden olmasın. Üstelik proton bu süperpozisyon durumunda bulunması hidrojen bağlarının biyokimyasal sistemlerdeki önemli rolünü daha önce hayal edilemeyecek ölçüde genişletebilir. Bunlar için Kaynak [5] ve [6]'da özetlemeyi denediğim araştırmalarıma bakabilir, bu konuda aklınıza takılan herhangi bir şeyi tartışmak için de hiç tereddüt etmeden bana ulaşabilirsiniz.

Şimdilik burada duralım en iyisi.

Efendim, bilimle kalın, bize katılın,,

Kaynaklar

1) Pauling, L. (1960). The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: An introduction to modern structural chemistry, Cornell University Press, 3rd edition.

2) Isaacs, E., Shukla, A., Pltazman, P.M., Hamann, D.R., Barbiellini, B. and Tulk, C.A. (1999). Covalency of the hydrogen bond in ice: a direct x-ray measurement, Physical Review Letters, 82(3), 600–603.

3) Fonseca Guerra, C., Bickelhaupt, F.M., Snijders, J.G. and Baerends, E.J. (1999). The nature of the hydrogen bond in DNA base pairs: The role of charge transfer and resonance assistance, Chemistry - A European Journal, 5(12), 3581–3593.

4) Grabowski, S.J. (2011). What Is the Covalency of Hydrogen Bonding?, Chemical Reviews, 111(4), 2597–2625.

5) Pusuluk, O., Farrow, T., Deliduman, C. and Vedral, V. (2018). Emergence of correlated proton tunneling in water ice, arXiv/quant-ph, 1703.01335v2, https://arxiv.org/abs/1703.01335v2.

6) Pusuluk, O., Farrow, T., Deliduman, C., Burnett, K. and Vedral, V. (2018). Proton tunneling in hydrogen bonds and its implications in an induced-fit model of enzyme catalysis, arXiv/physics.chem-ph, 1703.00789v2, https://arxiv.org/abs/1703.00789v2.

Yazının epiSTEM Türkiye bağlantısı:

https://epistemturkiye.org/kovalent-baglarin-iyonikliginden-hidrojen-baglarinin-kovalentligine-kuantum-fizigi/

20 Şubat 2018 Salı

Ataerkillik: Erkeklerin Keşfi Vs Kadınların İcadı


K: Yarın sabah uyandığımızda dünyadaki tüm erkekler birden ortadan kaybolmuş olsa, dünya daha yaşanası bir yere dönüşmez miydi?

E: Muhakkak! Zira bugün "insan"ı boğan her şeyin başında bir erkek var. Ama bu kadın dünyası ne kadar uzun sürerdi, onu bilmiyorum.

K: Erkek olmadan da üremenin bir yolunu bulmuş olduğumuzu varsay.

E: Beni düşündüren "biyolojik erkek" değil, "toplumsal erkek"ti.  Anaerkillikten ataerkilliğe geçişte sürücü kuvvet sence üremenin biyolojisinde oynadıkları rolün farkına vararak erkeklerin kendisini keşfetmesi miydi, yoksa kadınların kendi aralarındaki yönetişim savaşlarında erkeği icat etmesi miydi?

K: Ne olursa olsun erkeksiz bir toplum mevcut toplumdan daha iyi olacaktır bence.

E: İlk başta muhakkak. Ama düşünsene, erkeği icat eden daha neleri icat edebilir!

29 Ocak 2018 Pazartesi

epiSTEM Türkiye Çevirileri - 3: Enformasyon Termodinamik




Neredeyse Mükemmel Verimle Çalışan Enformasyon Makinası

Güney Kore Ulsan Temel Bilimler Enstitüsü’ndeki fizikçiler Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, ve Hyuk Kyu Pak, Physical Review Letters dergisinin son sayısında kayıpsız enformasyon makinası ile ilgili bir makale yayınladı.

Enformasyon makinası?

Isıyı yani termal enerjiyi işe dönüştüren cihazların ısı makinası [1] olarak adlandırılması gibi, enformasyonu yani bilgiyi işe dönüştüren cihazlar da enformasyon makinası olarak adlandırılıyor. Bu makinalar veya böyle bir cihazın ilk kavramlaştırılmasına gönderme yapılarak verilen ismiyle "Maxwell'in cinleri" [2], enformasyon teorisi ve termodinamik arasında entropi kavramı üzerinden gerçekleşen ve bilim insanlarınca hala daha iyi anlaşılmaya çalışılan temel bir ilişki sayesinde yapılabiliyor. Termodinamikte düzensizliğin bir ölçüsü olan ve sıcaklıkla beraber artan entropi, enformasyon teorisinde karşımıza belirsizliğin ölçüsü olarak çıkıyor ve bilgi içeriğiyle beraber artıyor.

Yukarıda bahsi geçen fizikçilerden Pak’a göre Carnot’un 1824 yılında ısı makinalarının verimine bir sınır koymasından bu yana [3], makinalar üzerine düşünmek termodinamiğin ve istatistiksel fiziğin gelişmesinde itici bir güç teşkil ede geldi. Bilgi işlemeyi bu düşünceye ‘cinler’ formunda ekleyince ortaya çıkan yeni sınırların deneylerle doğrulanması da oldukça önemli oldu.

Pak ve arkadaşları yayınladıkları makalede bir enformasyon makinasının termodinamiğin geleneksel ikinci yasasını ihlal edecek kadar yüksek verimde çalışabileceğini deneysel olarak göstermiş oldu.

Termodinamiğin geleneksel ikinci yasası?

Bir ısı makinasının enerjiyi işe çevirmesindeki azami verimi termodinamiğin ikinci yasasıyla, yani son ve ilk durumlarının serbest enerjileri arasındaki farkla sınırlı [4]. Serbest enerji de termodinamik entropinin bir fonksiyonu [5]. Termodinamiğin geleneksel ikinci yasasından kasıt bu. Fakat bir makina çevresinden enformasyon kazanabiliyorsa bu kazanca karşılık gelen enformasyon entropisini de işe çevirebilir [6]. Son on yıl içinde yapılan birçok deney bu bağlamda makinaların ikinci yasayı aşabileceğini gösterdi.

Enformasyon makinalarının bu son deneysel gösterimleri, bir enformasyon makinasının enformasyonu işe çevirmesindeki verimde bir üst sınır olup olmadığı sorusunu doğal olarak akla getiriyor. Bu soruya cevap olarak, bazı araştırmacılar yakın bir zamanda enerji ve enformasyonun ikisinin de işe çevrilmesini hesaba katan, termodinamiğin ikinci yasasının genelleştirilmiş bir halini türetmişti. Genelleştirilmiş yasaya göre enformasyon makinasının yapabileceği iş iki bileşenin toplamı ile sınırlı olmalı [7]. Bu bileşenlerden ilki geleneksel yasanın geleneksel makinalar üzerine koyduğu sınıra karşılık gelen serbest enerjideki değişim. Diğer bileşen ise mevcut enformasyon miktarı ki işte bu bileşen enformasyondan çıkartılabilecek ekstra işe bir üst sınır getiriyor. Fakat şimdiye kadar hiçbir deneysel enformasyon makinası bu genelleştirilmiş yasanın öngördüğü üst sınıra yaklaşmamıştı.

Pak ve arkadaşlarının geliştirdiği makina, bu yeni sınıra yaklaşan ilk enformasyon makinası. Makalede yer alan sonuçlar, sadece “kayıpsız” – yani mevcut enformasyonun hiçbir kısmını kaybetmeden neredeyse tamamını işe dönüştüren – bir enformasyon makinasının gerçekleştirileceğini göstermiş olmuyor, ayrıca genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu sınırın keskinliğini de deneysel olarak doğrulamış oluyor.

Genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu azami verimi elde etmek için, Pak ve arkadaşları oda sıcaklığında ışık ile tuzaklanmış bir parçacıktan oluşan bir enformasyon makinası tasarladı ve yaptı. Deney düzeneğinde termal dalgalanmalar minik parçacığın konumunda Brownian hareket bağlamında rasgele ufak değişimlere sebep oluyor ve bir fotodiyot 1 nanometre uzamsal doğruluk ile bu değişimleri izliyor. Eğer parçacık önceden belirlenmiş bir doğrultuda belirli bir mesafeden daha uzağa hareket ederse, ışık tuzağı hızlı bir şekilde bu doğrultuda kaydırılıyor. Bu süreç tekrar ediyor, öyle ki zaman geçtikçe makina basitçe sistemin termal dalgalanmalarından elde ettiği enformasyondan çıkardığı iş ile parçacığı istenilen doğrultuda taşımış oluyor. Zira bu düzenekte serbest enerji bileşeni sıfır olduğu için çıkartılan işe katkıda bulunmuyor.

Bu sistemin en önemli özelliklerinden bir tanesi yaklaşık olarak anlık olan geribildirim tepkisi: tuzak bir milisaniyeden çok daha küçük bir sürede kaydığı için, parçacığa daha fazla hareket edecek ve enerji kaybedecek zaman tanımıyor. Sonuç olarak, kaymayla kazanılan enerjiden neredeyse ısıya hiç kayıp olmuyor, aksine bu enerjinin hemen hemen hepsi işe dönüştürülüyor. Pratik olarak herhangi bir enformasyon kaybını önleyerek, bu sürecin enformasyondan enerjiye dönüşümü genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu sınırın yaklaşık olarak %98.5’ine ulaşıyor. Sonuçlar teorik sınıra destek veriyor ve enformasyondan azami miktarda iş çıkartılmasının mümkün olduğunu gösteriyor.

Teori üzerindeki etkilerinin yanı sıra sonuçlar ayrıca araştırmacıların gelecekte incelemeyi planladığı pratik uygulamalara da öncülük edebilir. Pak’a göre: “Hem nanoteknoloji, hem de canlı sistemler termal gürültü ile bilgi işleme arasındaki etkileşimin anlamlı olduğu ölçeklerde faaliyet gösteriyor. Enformasyonun moleküler süreçleri kontrol etmek ve onları doğru doğrultuda sürmek için kullanıldığı sistemlerin mühendisliği üzerine düşünülebilir. Bir olasılık, biyolojik sistemlerle ve mühendislik sistemlerinin melezlerini yaratmak, hatta belki canlı hücre içinde.”

[1] Buhar türbinlerinden Diesel motorlara kadar ısı makinaları yüzyıllardır teknolojide merkezi bir rol oynamaktadır.

[2] Enformasyon makinaları ilk olarak fizikçi James Clerk Maxwel tarafından 1867 – 1872 yılları arasında kavramsallaştırılmıştır. 1874 yılında William Thomson (Lord Kelvin) Nature dergisinde yayınlanan bir makalesinde bu makinalara Maxwell’in kullandığı “sonlu varlık”  adı yerine “cin” adını vermiştir.

[3] İki ısı kaynağı arasında faaliyet gösteren hiçbir ısı makinası aynı kaynaklar arasında faaliyet gösteren bir Carnot makinasından daha verimli olamaz. Bu makinalar Nicolas Léonard Sadi Carnot tarafından 1824 yılında geliştirilmiştir.

[4] Termodinamiğin ikinci yasasını -Wortalama Fson – Filk olarak yazabiliriz. Burada “-W” bir termodinamik süreçte sistemden çıkartılabilecek işi, “F” sistemin bir termodinamik durumdaki serbest enerjisini temsil etmektedir.

[5] Serbest enerji F = U – T S olarak tanımlanır. Burada “U” sistemin iç enerjisi, “T” sistemin sıcaklığı, “S” ise sistemin termodinamik entropisidir. Yani ikinci yasaya göre işi sınırlayan serbest enerji aslında termodinamik entropinin bir fonksiyonudur.

[6] Enformasyonun miktarı daha önce belirtildiği gibi enformasyon entropisi ile ölçülebilir.

[7] Genelleştirilmiş yasa -Wortalama (Fson – Filk) + k T Iortalama şeklinde yazılabilir. Burada “k” Boltzmann sabiti, “I” ise enformasyon entropisi.


Çevirinin/derlemenin bağlantısı: epiSTEM Türkiye

Çevirinin/derlemenin kaynağı: Phys. Org

(Not: Haber metnine çevirisi sırasında anlaşılabilirliği arttırmak için paragraf, hatta cümle düzeyinde yer değiştirmeler yapılmıştır. Bu sırada bazen çeviren tarafından metne yeni cümleler eklenmiş ya da mevcut cümleler düzeltilmiştir.)

Makale: Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, and Hyuk Kyu Pak. "Lossless Brownian Information Engine." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.020601



iZ-LeYiCiLeR

e-PoSTa iLe İZ-Le