Şekil 1. Bir plazma görmek için bir kibrit, bir çakmak ya da bir mum yakmanız yeterlidir.
EVRENİN HERYERİNDE PLAZMA HAYATIMIZIN HER YERİNDE PLAZMA
Prof. Dr. Tamer AKAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Öğretim Üyesi akan@ogu.edu.tr
Çevremize baktığımızda oturduğumuz sandalye gibi katı, içtiğimiz su gibi sıvı ve soluduğumuz hava gibi gaz halinde çok sayıda maddenin farklı hallerini görürüz. Madde farklı hallere dönüştürülebilir.
Örneğin katı bir madde eritilerek sıvı hale, sıvı da daha ısıtılarak buhara dönüştürülebilir. Bu nedenle maddeyi en genel olarak katı, sıvı ve gaz olarak üç halde tanımlarız. Aristo da M.Ö. 300’lü yıllarda içinde bulunduğumuz evreni tümüyle toprak, su ve havadan oluştuğunu yani bu üç halin bileşimini tüm evrenin hammaddesi olarak tanımlamıştı. Ancak ateşi bu üç halden farklı görüyordu ama bir hammadde olarak görmüyordu. Ancak bugün evrenin neredeyse tümünün hammaddesinin ateş (plazma) olduğu anlaşıldı. Ateş gerçekten ne katıdır, ne sıvı, ne de gazdır. Bir odun ateşine bakıldığında aslında odun ile katıyı, odun içindeki nemin dışa çıkması ile sıvıyı ve odundan çıkan isle gazı aynı anda görebiliriz. Fakat odun ateşinin o kırmızı alev kısmı tümüyle bambaşka haldedir. Bu alev maddenin dördüncü hali olarak tanımlanan plazma halindedir. Plazma bir maddenin atomlarının iyonlaştırıldığı haldir. Yani maddenin atomlarının parçalandığı haldir. Bir buza biraz ısı vererek onu eritiriz ama bu durumda buzun sadece atomları arasındaki bağı azaltarak onu daha gevşek hal olan sıvıya dönüştürürüz.
Sıvıyı daha ısıtırsak buharlaşır ve yine bu durumda sadece sıvı atomları arasındaki bağ azalarak en gevşek olduğu hal olan gaza dönüşür. Öyleyse bir maddeye ısı veya bir enerji verilince hal değiştirmesi aslında sadece atomları arasındaki bağın azalmasına harcanmaktadır. Atomlarında bir değişiklik olmamaktadır. Fakat gaz halinde atomlar arası bağ neredeyse sıfırdır ve bu durumda gaza ısı verilirse bu enerji atomların parçalanmasına harcanacaktır. Daha bilimsel bir ifade ile gaz atomlarından elektronlar kopmaktadır yani gaz atomları iyonlaşmaktadır. İşte bu durumdaki maddenin hali, plazma olarak adlandırılır.
Plazma içinde bu nedenle çok sayıda elektronlar, elektronları kopmuş atomlar yani iyonlar ve çok sayıda ateşin alevine renk veren ışık gibi fotonlar içerir. Ayrıca iyonlaşmamış atom ve molekül, ve radikal parçacıklar içerir. Radikal parçacık iyonlaşmamış ama son derece aktif parçacık demektir. Plazma içindeki bu farklı parçacıkların en önemli özelliği her zaman birlikte hareket etmeleri ve birlikte reaksiyona girmeleridir. Plazma içinde hiçbir parçacık diğer parçacıklardan ayrı olarak davranamaz yani tüm parçacıklar kolektif bir davranış içinde olmak zorundadırlar. Plazmanın bu kendini koruma çabası o kadar ilginçtir ki bu nedenle maddenin tüm halleri yayılmaya çalışırken (örneğin su) plazma sürekli toplaşmaya çalışır.
Şekil 3. Şimşek ve aurora doğanın ürettiği doğal plazmalardır.
Şekil 2. Evrenin %99’u hala plazma halindedir.
Örneğin güneş devasa bir plazmadır ve sürekli bir birleşme çabası içindedir. Bu birleşme o kadar büyük enerji kaynağıdır ki füzyon olarak tanımlanan iki atomun birleşmesi yani yeni yeni elementlerin doğumuna sebep olmaktadır. Güneş aslında sıradan bir yıldızdır. Bu nedenle tüm yıldızların yapısı hemen hemen güneşin yapısı ile aynıdır. Yani evrendeki tüm yıldızlar birer dev plazma toplarıdır.
Yıldızlar ise galaksileri oluşturmaktadır. Galaksiler ise evreni. Evren dünyamız gibi birkaç soğuk gezegen dışında tümüyle plazma halindedir. Bu nedenle evrenin hala %99’u plazma halindedir. Hala diyorum çünkü evren başlangıçta tamamen plazma halindeydi fakat zamanla soğuma süreci içinde plazma halinden diğer haller oluştu. Büyük Patlama Teorisine göre evren başlangıçta son derece yoğun bir nokta halindeydi ve birden çok büyük bir şiddetle patladı. Bu patlamadan birkaç saniye sonra evren o kadar yüksek bir enerjiye sahipti ki tümüyle plazma halindeydi. Ancak evren bu patlamanın şiddeti ile sürekli genişlemeye başladı ve genişledikçe de soğumaya başladı. İşte bu soğuma süreci devam ettikçe galaksiler, yıldızlar ve gezegenler oluştu. Dünyamız daha önce dev bir yıldız yani dev bir plazma topu iken bir süpernova patlaması yaşadı ve daha küçük yıldızlara ve çok sıcak bir gaz kütlesi olan dünyamıza dönüştü. Bu gaz küresi de zamanla soğudu ve okyanuslar ve kıtalar oluştu. Plazma maddenin dördüncü hali olarak bilinmektedir.
Evrenin oluşum sürecine bakıldığında aslında maddenin birinci hali plazmadır. Diğer haller daha sonra oluşmuştur.
Güneş ve yıldızlar gibi evrenin derinlikleri plazma ile doluyken bize çok daha yakın plazmalar da vardır. Örneğin her yağmurlu günde gördüğümüz şimşek atmosfer içinde oluşan havanın plazma halidir. Bu şimşek plazmasının 20.000 Ampere yakın akım taşıdığını bilmek ne kadar yüksek bir enerji taşıdığı açısından bize bilgi vermektedir. Bu kadar yüksek akımı taşıyabilecek kablolar yapıldığında bu plazmayı çok kolay bir enerji kaynağı olarak kullanabileceğiz. Atmosferin tabakalarından iyonosfer de plazma halindedir.
İyonosfer, atmosfere uzaydan gelen şiddetli enerjiye sahip parçacıkların atmosfer gazını iyonlaştırması ile oluşmaktadır. Hatta bu parçacıklar yerküremizin kuzey bölgelerinde manyetik olarak yönlenir ve yığılarak kuzey ışıkları (aurora) denen muhteşem renk cümbüşündeki plazmaların da oluşmasına sebep olmaktadır. Günlük hayatta daha yakınımızda da plazmalar vardır. Örneğin evlerimizde bulunan floresan lambalar civa buharı ile argon gazı
Şekil 5. Uyduların fırlatılması ve yörüngede tutulması ve uzak gezegenlere uzaydaki plazmalar ile ulaşım plazmanın uzay teknolojisindeki uygulamalarıdır.
Şekil 4. Plazma kaplama, plazma kesme ve plazma ile materyal işleme plazmaların yüksek teknolojide kullanıldığı uygulamalardır. Plazma ile mikro ve nano materyal işleme ile
bilgisayar ve diğer elektronik cihazların çipleri üretilmektedir.
plazmasıdır. Yine büyük caddeleri aydınlatan sarı renkli lambalar sodyum plazmasıdır.
Genellikle büyük eğlence merkezleri değişik renklerde neon lambalarla aydınlatılır. Bu lambalar neon gazı ile başka gazların plazmasıdır. Plazma televizyonları yakın zamanlarda evlerimize giren başka bir plazma uygulamasıdır. Tüplü televizyonlardan çok farklı görüntü kalitesine, uzun ömre ve kullanım estetiğine sahip plazma televizyonlarında ekran üzerinde görüntü plazma parçacıklarının ürettiği ışıkla oluşur. Evlerimize giren diğer bir plazma uygulaması plazma klimalardır. Plazma klimalar, soğutmak için devir daim yaptıkları havayı iyonize ederek ortam içine göndermektedir. Bu işlem sırasında öncelikle toz ve sigara dumanı gibi büyük parçacıklar plazma haznesine alınmadan filtrelenir. Plazma haznesine geçen hava ise iyonlaşma sürecinde plazma parçacıkları ile etkileşir ve içerdiği bakterilerden arındırılır.
Plazma fırınlar, gelecekte evlerimize girecek diğer bir plazma uygulamalı cihazlardan biri olabilir.
Plazmalar, içerdikleri enerjisi yüksek parçacıklar ve bu parçacıkların kolektif hareket özellikleri nedeni ile teknolojide son derece farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Plazma;
biyoloji ve biyomedikalde, kağıt endüstrisinde, uzay sanayisinde, materyal aşındırma veya sertleştirme teknolojisinde, tekstil endüstrisinde, elmas yapımında, yarıiletken teknolojisinde, elektronik çip yapımında, iletişim teknolojisinde, kaplama ve dekorasyon teknolojisinde, sterilizasyon ve su arıtma sistemlerinde, tehlikeli ve zararlı atık arıtmada, güneş enerjisi ve optik sanayisinde, otomobil ve uçak endüstrisinde, yeni teknoloji inşaatlarda, savunma sanayinde, kristal büyütmede, radar ve füzyon araştırmalarında kullanılmaktadır. Uzay teknolojisinde roketlerin fırlatılmasından yörünge korumasına kadar değişik uygulamalarda kullanılmaktadır.
Plazmaların en ilgi çekici uygulaması tıp ve biyomedikaldeki uygulamalarıdır. Özellikle biyolojik hücreler üzerinde etkileri sağlık sektöründe yeni bir çığır açacaktır. Bu konuda en önemli çalışmalar dünyanın tek Biyoelektrik Araştırma Merkezi olan Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Frank Reidy Biyoelektrik Araştırma Merkezi’nde yapılmaktadır. Bu merkez Soğuk Plazmaların biyolojik hücreler üzerine etkilerini incelerken ilk olarak plazmayı mümkün olduğunca soğutma çalışmaları yaparken son derece kısa puls süresine sahip güç kaynakları üretti.
Frank Reidy Biyoelektrik Araştırma Merkezi yöneticisi Dr. K. Schoenbach ve ekibi bu güç kaynakları ilk olarak fareler üzerine enjekte edilen kanser hücrelerine uyguladı. Bu kısa süreli elektrik voltajları ile ilk kez hiç ilaç ve radyasyon kullanılmadan deri kanseri tedavisi yapıldı.
Şekil 6. 40 kV/cm elektrik alanın 300 ns puls zamanı ile fare üzerindeki deri kanseri hücrelerine uygulanması. Tümörün zaman içinde gerilemesi ve kanser hücresine elektrik voltajı uygulandıktan sonra 65 gün geçince neredeyse tümör yok olduğu görülmektedir.
Bu kadar kısa süreli elektrik voltajları kullanılarak üretilen plazmalar oda sıcaklığı kadar düşük sıcaklıklarda plazmalar oldu. Bu plazmaların bakteriler üzerinde uygulanması ile bakterilerin son derece kısa sürede öldüğü gözlendi. Elektron mikroskobunda çekilen görüntülerde plazma ortamına maruz tutulan bakterilerin tümüyle parçalandığı görülmektedir.
Şekil 7. MRSA bakteri hücreleri üzerine plazmaların etkisi. a)Plazma uygulanmamış bakteri, b) 1s, c) 2s, d) 3s, e) 4s, ve f) 5 saniye plazma ortamına maruz kalan MRSA bakteri hücrelerinin elektron mikroskobu görüntüleri.
Bu sonuç plazmaların bakteri öldürülmesinde son derece önemli uygulama haline gelmesine neden oldu. Soğuk plazmalar son derece kısa sürede farklı türde bakterileri öldürebilmektedir. Bu hem yeni tür bir sterilizasyon yöntemini ve dahası son derece yeni bir bakteriyel enfeksiyon tedavi yöntemini ortaya çıkarmaktadır. Soğuk plazmalar oda sıcaklığı kadar düşük sıcaklıkta olduklarından bakterileri ve bakterilerin olduğu ortama sıcaklık etkisi yapmamaktadır. Bu nedenle ısıya hassas ortamların
0 gün 21 gün 45 gün 65 gün
sterilizasyonunda önemli bir metot olmaktadır. Son yıllarda polimer tabanlı (çabuk eriyen) tıbbi elektronik cihazların sterilizasyonu son derece önemli olmaktadır. Örneğin insan vücudu içinde hareket eden mikro kameralar, veya diğer pahalı tıbbi cihazlar bir hastada kullanıldıktan sonra diğer bir hasta üzerinde steril edilemediği için kullanılamamaktadır. Bu, hastanelerde hala yüksek ısı fırınları ile sterilizasyon yapılması sebebiyledir. Bu şekilde yüksek ısı fırınlarında steril edilemeyen pek çok tıbbi, askeri, biyomedikal cihazlar soğuk plazmalar ile steril edilebilmektedir. Plazma ile sterilizasyon ayrıca herhangi toksik atık ya da radyasyon etkisi yapmamaktadır. Ayrıca maliyet açsında da oldukça ekonomiktir. Bununla birlikte bugün kullanılan klasik sterilizasyon teknikleri ile kolayca öldürülemeyen mikroorganizmalar da plazma ile öldürülebilir. Örneğin deli dana hastalığına sahip olan bir et yüksek ısılarda dahi pişirilse ölmemektedir. Ancak plazma ile kısa sürede öldürülebilmektedir. Kuş gribi, sars virüsü ve şarbon gibi insanlığı tehdit eden biyolojik silah etkisi gösterebilecek durumlarda da soğuk plazmalar kullanılabilecektir.
Bu kadar düşük sıcaklıkta plazma ile sterilizasyon tekniği ile insanın olduğu ortamında steril edilip edilemeyeceği akıllara gelmektedir. Örneğin son yıllarda ülkemizde meydana gelen çocuk ölümlerine sebep olan ve hastane virüsü olarak adlandırılan bakteri bu şekilde steril edilebilir. Bu bakteri aslında klasik metot ile de steril edilebilir. Ancak bebeğin bulunduğu hangi ortamda bu bakterinin bulunduğunu tespit etmek zor olduğu için bu işlem yapılamamaktadır. Ancak bebeğin bulunduğu tüm ortam plazma haline getirilirse tüm ortam steril edileceğinden bu bakteri öldürülmüş olacaktır. Bu şekilde ortam sterilizasyonu evlerimizden okullarımıza ve iş yerlerimize, gıda üretimi yapılan yerlere uygulandığında son derece hijyenik ortamlarda yaşamış olacağız. Bu kadar büyük ortamlarda plazma üretilmesi için hala çalışmalar devam etmektedir. Burada akıllara gelen soru ise bu plazmaların insana zarar verip vermemesidir. Şimdiye kadar soğuk plazmaların insan üzerine zararlı etkisi tespit edilmemiştir. Ayrıca soğuk plazmaların bakteriler üzerindeki bu öldürücü ve son derece yan etkisiz uygulanışı farklı türde bakteriyel enfeksiyon tedavi yöntemini de beraberinde akıllara getirmektedir. Örneğin kışın hemen hemen herkes gribe yakalanmıştır. Grip beraberinde çoğu kere boğaz iltihabına da yol açmaktadır. Bu durumda doktorların hemen ürettikleri çözüm bir antibiyotik kullanımıdır. Antibiyotik aslında vücuda yerleşen ve enfeksiyona sebep olan bakterilerin yok edilmesi için kullanılmaktadır. Neredeyse tüm bakteriyel enfeksiyonlarda aynı yöntem kullanılmaktadır. Bu antibiyotiklerin insana hiç yan etkisi olmadığı söylenemez. Ayrıca tüm dünya insanlığı açısından düşünüldüğünde son derece büyük bir ilaç sektörü de göz önünde tutulmaktadır. Eğer soğuk plazma örneğin benimde içinde bulunduğum Dr. M. Laroussi ve ekibi tarafından geliştirilen “Plazma Kalem”
insan üzerindeki bakteri ölümünü gerçekleştirirse enfeksiyon tedavisinde bir çığır açılmış olacaktır.
Örneğin bir boğaz iltihabını insanın boğazına dışarıdan uygulanan bir plazma öldürürse kişi hiç ilaç kullanmadan ve son derece kısa sürede enfeksiyondan kurtulacaktır. Bu şimdiye kadar gerçekleşmiş bir uygulama değildir ama hedeflenen bir uygulamadır. İnsan üzerinde plazma uygulamaları aynı zamanda virüsler üzerine plazmaların etkisini de merak ettiriyor. Özellikle AIDS virüsü üzerine plazmaların etkisi son derece merak konusu olmaktadır. Virüsler üzerine çalışmalar devam etmektedir.
Ancak birkaç yıl önce geliştirilen soğuk plazmaların bu kadar geniş uygulamalar için çalışmaları biraz zaman alacaktır.
Frank Reidy Biyoelektrik Araştırma Merkezi’nde ben, Dr. M. Laroussi, Dr. X. Lu ve Dr. C.
Tendora yeni bir cihaz üzerinde çalışmalar yaptık. “Plazma Kalem” adını verdiğimiz bu cihaz 17oC sıcaklığında (çok soğuk plazma) üretmektedir. Plazma Kalem saatlerce insan eline tutulduğunda dahi herhangi bir zararlı etki yapmamaktadır. Plazma kalem her türlü ortamda da son derece kolay kullanılmaktadır. Aşağıda Dr. Laroussi’nin ekibi ve Plazma Kalem’in fotoğrafları verilmiştir. Plazma Kalem son derece portatif bir cihazdır. Aynı zamanda çok sayıda Plazma Kalem de üretilebilmektedir.
Kullanılan gaz miktarı, güç değerleri gibi parametrelerle Plazma Kalem’in ürettiği plazma kontrol altında tutulabilmektedir. Ayrıca ıslak, kuru, metal, plastik gibi çok farklı ortamlarda kullanılabilmektedir.
Şekil 8. Dr. M. Laroussi (ayakta) ve Dr. T. Akan, Dr. C. Tendora ve Dr. X. Lu, 2006 yılında Frank Reidy Biyoelektrik Araştırma Merkezi’nde birlikteler.
Şekil 9. Plazma Kalem saatlerce insan eline temas ettiğinde dahi insana zarar vermemektedir.
Plazma Kalem’in ürettiği plazma uzunluğu ve genişliği ayarlanarak istenilen ortamda uygulaması yapılabilmektedir.
Dr. T. Akan Plazma kalemi doğrudan kültürlenmiş bakterilere uyguladığında kültür ortamına hiç zarar vermeden öldürüldüğünü geçen yıl ABD’de bir konferansta sundu. Aşağıdaki şekilde a) bakteri ekilmiş fakat hiç plazma uygulanmamış kültür, b) bakteri ekilmiş ve 30 saniye Plazma Kalem uygulanmış kültür ve c) bakteri ekilmiş ve 120 saniye Plazma Kalem uygulanmış kültür resimleri görülmektedir. Görüldüğü gibi zaman ile bakteri sayısı azalmaktadır. Plazma Kalem kültürün tam ortasına uygulanmıştır. Zamanla bakteri ölen alan büyümektedir. Plazma kalem ile onlarca farklı türde bakteri üzerinde çalışmalar yapıldı. Özellikle sivilce oluşumuna sebep olan S.aureus bakterileri üzerindeki çalışmalar Plazma Kalem’in insan yüzünde sivilce tedavisinde kullanımını geliştirecektir.
Plazma kalem ile ayak mantarı, bit tedavisi ve diş çürüğü tedavisi gibi çalışmalar halen devam
etmektedir. Plazma Kalem’in lokal bölgeye uygulanabilir olması bu çalışmaların kolayca yapılabilmesine olanak sağlamaktadır.
Şekil 10. Dr. Tamer AKAN Plazma Kalem ile yapılan çalışmaları, ABD Ohio eyaleti Colombus şehrinde yapılan 59. Uluslar arası Plazma Konferansında sunarken çekilen fotoğrafı ve sunulan çalışmadaki bakteri kültürleri fotoğrafları. Plazma Kalem ile bakteriler kolayca öldürülebilmektedir.
