BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK Yenilikçi Gençlik ve Üretken Yeni Nesiller Geleceğe ışık tutan bir bilim dalı olması ve hayata kattığı değer bu bilim dalının gelecekteki yerini inanılmaz kılıyor. Ülkemiz adına üretilmiş ve üretilebilir yeni nanoteknolojik ürünleri geliştirmek adına nanoteknolojinin ne olduğunu, nerelerde kullanıldığını ve gelecekte hangi boyutlara ulaşacağını yararları ve zararları ile öğrenmeye ne dersiniz? Çeviren, Derleyen & Yazan: Dr. Melike Karakaya (Nanoteknoloji, PhD)
23
Embed
BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK4004nanoteknoloji.com/dokumanlar/buyuyen_nanoteknolji_ve... · 2019-05-21 · Nanoteknoloji, fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi ve mühendislik
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK Yenilikçi Gençlik ve Üretken Yeni Nesiller
Geleceğe ışık tutan bir bilim dalı olması ve hayata kattığı değer bu bilim dalının gelecekteki yerini inanılmaz kılıyor. Ülkemiz adına üretilmiş ve üretilebilir yeni nanoteknolojik ürünleri geliştirmek adına nanoteknolojinin ne olduğunu, nerelerde kullanıldığını ve gelecekte hangi boyutlara ulaşacağını yararları ve zararları ile öğrenmeye ne dersiniz?
Çeviren, Derleyen & Yazan: Dr. Melike Karakaya (Nanoteknoloji, PhD)
BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK
Üretken ve yeniliğe açık nesiller, gelişen teknolojide son yıllarda hayatın tüm alanlarında
oldukça büyük bir orana sahip nanoteknolojinin ne boyutta büyüyeceği ve günümüzdeki
teknolojiyle ne konuda etkileşim sağlayarak yenilikler aktaracağı konusunda oldukça meraklı.
Nanoteknoloji terimi aslında hayatımıza yaklaşık 1959 yılında Feynman ile girmiş olsa da
bilimsel çalışmaların hızlanarak bu alanda yapılan çalışmaların artması, 1981 yılında
atomların bireysel olarak görüntülenmesini sağlayan Taramalı Tünelleme Mikroskobunun
icadından sonra olmuştur. Popüler kültürde yer alarak kişilere endüstriyel alanda tam
anlamıyla ulaşması ise ancak 2000’li yılların başlangıcında olabilmiştir.
Nanoteknoloji terim olarak anlamlandırılamadığı yıllarda ilk ürünlerini aslında çoktan
vermeye başlamıştır. Premodern zamanlara baktığımızda, 4. yüzyıldan kalma eserlerden şu
anda İngiliz Müzesinde bulunan “Lycurgus Kupası” nanoteknolojinin isimlendirilmediği
yıllarda kullanılmaya başlandığını gösteren önemli bir örnektir. Dikroik camın bir örneği olan
Roma dönemi eseri, cam üretiminde kolloidal altın ve gümüşün kullanılması ile yapılmıştır.
Kupa ışık ile dıştan aydınlatıldığında opak yeşil görünüm sağlarken ışığın içten parlamasıyla
yarı saydam kırmızı renkte görünmektedir.
Solda dikroik camın farklı açılardan ışınlara maruz kaldığında gösterdiği renkler (McClain
Gallery, Houston; Nash Baker). Sağda İngiliz Müzesi'ndeki Lycurgus Kupasının dıştan (sol) ve
içten aydınlatılmış hali (sağdaki). (Ulusal Nanoteknoloji Girişimi web sitesi (NNI))
Zanaatkârlar tarafından etki mekanizmasının bilinmediği, sadece tecrübe ile belli bir sonucun
elde edilebileceğinin bilinci ile yapılan bu ürünlerin üretim mekanizması, materyallerin
manipüle edilmesine dayanıyordu. Seçme, ekleme ve çıkarma yoluyla bilgileri ve
malzemeleri değiştirerek yaptıkları, bilimsellikten uzak, görgü ve öneriye dayanan bu ampirik
anlayışın eserleri oldukça fazladır.
6. ve 15. yüzyıllarda Avrupa katedrallerindeki canlı vitray pencereler zengin renklerini altın
klorür ve diğer metal oksitler ile klorürlerin nanopartiküllerine borçluydu. Ayrıca altın
nanopartikülleri dönemde fotokatalitik hava temizleyicileri olarak görev yaptılar.
9. yüzyıl ile 17. yüzyıllar arasında İslam dünyasında ve sonrasında Avrupa'da kullanılan parlak,
"parıltılı" seramik sırlar gümüş, bakır ya da diğer metalik nanopartiküller içeriyordu.
13. ve 18. Yüzyıllardan kalma "Şam" kılıç bıçakları, karbon nanotüpleri ve çimentoit
nanotellerini içeren çok yüksek karbonlu çelik formülasyonuna sahipti. Bu nano yapılar güçlü
bir direnç, sert bir kenar tutabilme özelliği ve çelikte bıçaklara görünür bir hareli desen
sağlamaktaydı. Bu özel kılıçların bir kaç yüz yıl sonra 2006’ da Reibold ve arkadaşları
tarafından transmisyon elektron mikroskopi görüntüleri alınmış ve yapıları açığa
çıkarılabilmiştir.
Modern dönemde geçmiş tarihteki bu çalışmalar incelenmeye başlanmış ve giderek artan
sofistike bir bilimsel anlayışa dönüşen, enstrümantasyon ile deneylere dayanan boyutlara
ulaşmıştır. 1857 yılında Faraday’ın koloidal nano yapılı altınları keşfi ve 1936 yılındaki
Muller’in atom emisyonuna yakın çözünürlükte görüntüler elde etmeye dayanan emisyon
mikroskopunun icadı ile bilim adamlarına yön gösteren bu çalışmalar 1947 yılından sonra
yıllık düzenli buluş, icat ve tespitlere dayalı bilimsel metotlarla günümüze kadar artan bir eğri
çizerek ilerlemiştir. Bu çalışmaların hangi yıllar arasında nanoteknolojinin hangi dalında ne
şekilde ilerlediğinin skalası aşağıda verilmiştir.
Modern dönemde 1857 ile 2000 yılları arasındaki Nanoteknoloji gelişim tablosu.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1857&1950
1936&1951
1947&1956
1959
1965
1974
1981
1981&1985
1986
1989
1985&1991
1989-2000 Erken Nanoteknoloji Şirketleri
Karbon Fulleren,Karbon Nanotüpler
Atomların tam olarak işlenebilme yeteneğigösterildi
Atomik kuvvet mikroskobu icadı
Kuantum Noktalar
Tarama tünelleme mikroskop icadı
Nanoteknoloji Terimi Üretildi
Yarı iletken endüstrisi
Feynman'ın ilk ölçekte ders
Devre,transistör,yarı iletkenler
Mikroskoplar
Kolloidler
2000 yıllarından sonra endüstriyel alanda ve bilimsel çalışmalar ile ilgili olağanüstü farklı
çalışmaların gerçekleştiği Nanoteknoloji’yi tanıyalım. Geleceğe ışık tutan bir bilim dalı olması
ve hayata kattığı değer bu bilim dalının gelecekteki yerini inanılmaz kılıyor. Bu kapsamda
ülkemiz adına üretilmiş ve üretilebilir yeni nanoteknolojik ürünleri geliştirmek adına
nanoteknolojinin ne olduğunu, nerelerde kullanıldığını ve gelecekte hangi boyutlara
ulaşacağını yararları ve zararları ile bilmek oldukça önem arz ediyor.
Burada nanoteknolojinin ne olduğunu ve nerede olduğunu öğrenmenin yanı sıra merak
konusu olan "nanoteknoloji nereye gidiyor" sorusunun cevabını bulmaya çalışacağız.
Nanoteknolojinin önünde büyük bir gelecek var ve sürekli olarak bu endüstri her gün
artmakta. Bu yazıda, nanoteknolojinin hayatımızı etkileyecek en önemli özelliklerinden
bazılarını ve geçmişimizden bugüne kadar olan etkilerini inceleyeceğiz.
NANOTEKNOLOJİ GERÇEKTEN NE KADAR KÜÇÜK?
Nanoteknoloji; bilim, araştırma ve teknolojinin birçok alanını kapsayan geniş bir terimdir. En
basit şekilde, küçük şeylerle çalışmak olarak tanımlanabilir. Standart mikroskoplarla
görülemeyecek kadar küçük, hep orada olan ancak bizim göremediğimiz, doğanın, atomların
ve moleküllerin yapı taşları olan şeylerle çalışmaktır. Nano teknoloji, maddeyi "nano"
ölçeğinde anlamayı içerir.
Nanoteknoloji, yaklaşık 1 ila 100 nanometre arasındaki boyutlarda nano bölgedeki maddenin
anlaşılması ve kontrolüdür. Burada benzersiz olgular yeni uygulamalara olanak tanır. Bir
nanometre, metrenin milyarda bir milyarı kadardır. Nano ölçekli bilim, mühendislik ve
teknolojiyi içeren nanoteknoloji, bu uzunluk ölçeğinde maddenin görüntülenmesi, ölçülmesi,
modellenmesi ve manipüle edilmesini içerir.
"Nano" ne kadar küçük? Uluslararası Birim Sistemi'nde "nano" öneki "bir milyar" veya 10-9
anlamına gelir. Bu nedenle bir nanometre bir metreküp milyarda biridir. Bunun ne kadar
küçük olduğunu hayal etmek zor, bu yüzden bazı örnekler verelim:
• Bir insan DNA dizisi 2,5 nanometre çapındadır. Bir kâğıt parçası yaklaşık 100.000
nanometre kalınlığa sahiptir
Britannica web sitesi Joe Wilensky/Cornell Chronicle
• Karbon nanotüpler yaklaşık 1 nanometre çapındadır. İnsan saçı yaklaşık 80.000- 100.000
nanometre genişliğindedir.
Kimya mühendisi websitesi Garlex web sitesi
• Karşılaştırmalı bir ölçekte, bir tenis topunun çapı bir nanometre ise, o zaman Dünya'nın
çapı yaklaşık bir metre
Clipartsgram web sitesi
• Tek bir altın atomu, yaklaşık olarak nanometre çapının üçte biridir
• Bir nanometre, tırnağınızın bir saniyede büyüdüğü sürece
NANO BOYUTTA ÇALIŞMAK NEDEN GEREKLİ?
Gazlar, sıvılar ve katılar gibi maddeler, nano ölçekte, dökme malzemelerin ve tek atomların
veya moleküllerin özelliklerinden önemli derecede farklı olan olağandışı fiziksel, kimyasal ve
biyolojik özellikler sergileyebilir. Bazı nano yapılı materyaller diğer formlara veya boyutlara
veya aynı materyale kıyasla daha güçlü ve farklı manyetik özelliklere sahiptir. Kimisi ısı veya
elektrik iletmek konusunda daha iyidir. Boyutları veya yapısı değiştikçe daha fazla kimyasal
tepki verebilir, ışığı daha iyi yansıtabilir veya renk değiştirebilirler.
Nano ölçekli parçacıklar doğada ve bilimde yeni değildir. Bununla birlikte, mikroskopi gibi
alanlardaki yeni sıçramalar bilim adamlarına, maddenin nano boyutta organize edildiğinde
doğal olarak oluşan olguları anlama ve yararlanma açısından daha yeni araçlar sağlamış oldu.
Özünde bu olgular, "kuantum efektler" ve geniş yüzey alanı gibi diğer basit fiziksel etkilere
dayanıyor. Buna ek olarak, biyolojik süreçlerin büyük bir çoğunluğunun nano boyutta
gerçekleşmesi, bilim insanlarına tıp, görüntüleme, bilgisayar, baskı, kimyasal kataliz, materyal
sentezi ve diğer birçok alanda çalışmalarını geliştirmelerine ve yeni süreçleri hayal ederek
özel modeller ve şablonlar kurmalarına olanak vermektedir. Nanoteknoloji, daha küçük
boyutlarda çalışmakla kalmıyor. Daha ziyade nano ölçekte çalışmak, bilim insanlarının doğal
olarak o ölçekte ortaya çıkan eşsiz fiziksel, kimyasal, mekanik ve optik özelliklerden
yararlanmalarını sağlıyor.
Malzemelerin Özelliklerine Kuantum Efektlerin Hakim Olduğu Ölçek:
Görünür ölçekte katı maddelerin parçacık boyutları düzenli bir optik mikroskopta
görülebilenlerle karşılaştırıldığında, parçacıkların özelliklerinde çok az fark vardır. Ancak,
parçacıklar yaklaşık 1-100 nanometre boyutlarında (parçacıkların yalnızca güçlü
özelleştirilmiş mikroskoplarla "görülebildiği") oluşturulduğunda, malzemelerin özellikleri
daha büyük ölçekli malzemelerden önemli ölçüde değişir. Bu, kuantum efektleri olarak
adlandırılan boyut ölçeğidir ve parçacıkların davranış ve özelliklerini belirler. Malzemelerin
özellikleri, bu ölçek aralığında boyuta bağlıdır. Bu nedenle, parçacık boyutu nanokütle haline
getirildiğinde, erime noktası, flüoresan, elektrik iletkenliği, manyetik geçirgenlik ve kimyasal
reaktivite gibi özellikler parçacık boyutunun bir fonksiyonu olarak değişir.
Nano ölçekte altın, nano yapıda meydana gelen benzersiz özelliklerini gösterir. Nanosalik
altın parçacıkları tanıdık olduğumuz sarı renk değildir. Nanokron altın kırmızı veya mor
görünebilir. Nano ölçeğinde, altının elektronlarının hareketi sınırlandırılmıştır. Bu hareket
kısıtlı olduğu için, altın nanopartiküller daha büyük ölçekli altın parçacıklarına kıyasla ışık ile
farklı tepki verirler. Boyutları ve optik özellikleri pratikte kullanılabilir: Nano ölçekli altın
partikülleri seçici olarak tümörlerde birikirler ve burada hem hassas görüntüleme hem de
hedeflenen lazerle yıkımı sağlayarak sağlıklı hücrelere zarar vermezler.
Nano ölçeğin kuantum etkilerinin büyüleyici ve güçlü bir sonucu, özelliklerin
“ayarlanabilirliği” kavramıdır. Yani, bir bilim adamı parçacığın boyutunu değiştirerek maddi
bir özelliği (örneğin, flüoresan rengini değiştirirken) hassas olarak ayarlayabilir. Bu durumda,
bir parçacığın flüoresan rengi parçacığı tanımlamak için kullanılabilir ve çeşitli malzemeler ve
çeşitli amaçlar için flüoresan işaretleyicilerle “etiketli” olabilir. Nano ölçeğin bir diğer güçlü
kuantum etkisi, “tünel oluşturma” olarak bilinir. Bu, işlem için tarama tünel mikroskopu ve
flash bellek sağlayan bir olgudur.
Biyolojik Olayların Meydana Geldiği Ölçek:
Doğa binlerce yılda nanoteknoloji alanında biyoloji sanatını mükemmelleştirdi. Hücrelerin iç
işleyişlerinin birçoğu doğal olarak nano ölçekte meydana gelir. Örneğin, hemoglobin (oksijeni
vücuda aktaran protein) çap olarak 5,5 nanometredir. İnsan hayatının temel taşlarından biri
olan bir DNA dizisi sadece yaklaşık 2 nanometre çapındadır.
Birçok tıbbi araştırmacı, doğal biyolojik ölçekte çizim yaparak geleneksel olanlardan daha
hassas ve kişiselleştirilmiş araçlar, tedaviler ve terapiler tasarlamaya çalışıyor ve böylece bir
hastalığın başlangıcında uygulanabilmesini ve daha az yan etki oluşturmasını sağlıyor.
Nanoteknolojinin tıbbi bir örneği biyo-barkod tahlilidir. Bu örnekte çok az dahi olsa, kandaki
hastalığı özel biyolojik belirteçler ile tespit etmeyi sağlayan nispeten düşük maliyetli bir
yöntemdir. Parçaları ve DNA "amplifikatörlerini" "altın nanopartiküllerine" bağlayan temel
süreç, aslında Northwestern Üniversitesi'nde prostatektomiyi izleyen bir prostat kanseri
biyobelirteçi için gösterildi. Biyolojik barkod analizinin, aynı hedef biyolojik belirteçler için
konvansiyonel analizlerden çok daha hassas olduğu kanıtlanmıştır ve neredeyse herhangi bir
moleküler hedef tespiti için adapte edilebilir.
Nano ölçekli biyomoleküler yapıların büyümekte olan anlayışı, tıbba göre diğer alanları da
etkilemektedir. Bazı bilim insanları, yeni bilgisayar platformları oluşturmak için moleküler
kendini toparlama, kendi kendini düzenleme ve kuantum mekaniğinin nanometrik biyolojik
ilkelerini kullanmanın yollarını araştırıyor. Diğer bazı araştırmacılar, fotosentez esnasında
bitkilerin güneş ışığından hasat ettiği enerjinin neredeyse anında bitki "reaksiyon
merkezlerine" kuantum mekanik işlemlerle yaklaşık % 100 verimlilikle (boşa harcanmış ısı
enerjisi oldukça az miktardadır) aktarıldığını keşfettiler. Bilim adamları ayrıca güneş
enerjisinin ucuz üretimi ve depolanması, "yeşil enerji" nanosistemleri için bir model olarak
fotosentezi örnek model alarak araştırmalar yapıyor.
Malzeme Özelliklerinde Ve Etkileşimlerinde Yüzeylerin Ve Ara Yüzeylerin Büyük Bir Rol
Oynadığı Ölçek:
Nano ölçekli materyallerin, benzer ağırlıktaki daha büyük ölçekli materyallere kıyasla çok
daha büyük yüzey alanları vardır. Bir maddenin kütlesi başına yüzey alanı arttıkça,
malzemenin daha büyük bir kısmı çevreleyen malzemelerle temas edebilir, bu da reaktiviteyi
etkiler.
Basit bir düşünce deneyi, nanoparçacıkların neden olağanüstü yüksek yüzey alanlarına sahip
olduğunu gösterir. Bir tarafta 1 cm'lik katı bir küp maddenin 6 santimetreküp yüzey alanı
vardır. Ancak bu hacim 1 santimetreküp bir yanda 1 santimlik küp ile doldurulursa, bunların
her biri toplam 6 milimetrekarelik bir yüzey alanına sahip olan 1.000 milimetre küp (10 x 10 x
10) olurdu. Ve bu tek kübik santimetre hacim 1 nanometre boyutunda küp (her biri 6 kare
nanometre alanı olan) ile dolduğunda toplam yüzey alanı 6.000 metrekareye ulaşır. Diğer bir
deyişle, tek bir kübik santimetre kübik nanopartiküller, bir futbol sahasından üçte bir
oranında daha büyük toplam yüzey alanına sahiptir.
Trynano web sitesi
Bu resim, boyut düştükçe yüzey alanının nasıl arttığını göstermektedir.
Daha geniş yüzey alanının (ve gelişmiş reaktivitenin) bir özelliği, daha iyi katalizörler
oluşturmalarına yardımcı olmalarıdır. Sonuç olarak, nanoyapılı materyallerin oluşturduğu
kataliz, petrol ve kimya endüstrilerinde milyarlarca dolarlık geliri etkileyen dev küresel
katalizör pazarlarının yaklaşık üçte birini etkiliyor. Katalizin günlük bir örneği, bir arabadaki
motor dumanının toksikliğini azaltan katalitik konvertördür. Nano yapı kullanılarak üretilen
piller, yakıt hücreleri ve katalizörler, nano ölçeğin reaktivite potansiyelini artırarak daha
temiz, daha güvenli ve daha ekonomik olarak enerji üretilmesi ve depolanmasında
kullanabilirler.
Geniş yüzey alanı aynı zamanda nanoyapılı membranları ve malzemeleri su arıtımı ve tuzdan
arındırma için ideal adaylar yapar. İlaç dağıtımından giysi izolasyonuna kadar uzanan
uygulamalar için nano yapılı malzeme yüzeylerinin (belirli amaçlar için parçacıkların
eklenmesiyle) "işlevselleştirilmesine" de yardımcı olur.
NANO YAPILI MALZEMELERİ ANLAMA VE MANİPÜLE ETME
Nanoteknoloji, sadece nano ölçekli malzemeleri bir araya getirmekten daha fazlasını; bu
materyalleri anlama ve tam olarak manipüle etme ve bunları yararlı bir şekilde kontrol etme
kabiliyeti gerektirir. Nanoteknoloji, fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi ve mühendislik gibi
farklı alanların nano ölçekte birleştiği yeni ve geniş bir bilimle ilgilidir.
Nano ölçekli materyallerin doğada olduğunu anlamak da oldukça önemlidir. Örneğin, kırmızı
kan hücrelerinde bulunan ve oksijen taşıyan protein olan hemoglobin, 5,5 nanometre
çapındadır. Doğal olarak meydana gelen nanomalzemeler etrafımızda fazlaca bulunmaktadır.
Yangın dumanı, volkanik kül ve deniz spreyi bunlara örnektir. Bazı nanomalzemeler de,
otobüs, otomobil egzozu ve kaynak dumanı gibi, insan faaliyetinin bir yan ürünüdür.
Nanometre boyutunu yaklaşık 1 ila 100 nanometre olduğunu biliyoruz. Nanobilim ve
nanoteknoloji, bireysel atomları ve molekülleri görme ve denetleme kabiliyetini içerir.
Yerküredeki her şey atomlardan oluşur: yediğimiz yiyecekler, giydiğimiz kıyafetler, içinde
yaşadığımız binalar ve evler ve kendi bedenlerimiz. Nano ölçeğinde çalışmak, nanoküre
malzemelerinin çeşitli tiplerini ve boyutlarını da anlamayı gerektirir. Farklı nanomalzemeler,
şekilleri ve boyutlarına göre adlandırılmıştır. Bunları sadece bir veya daha fazla nanometre
boyutlu boyuta sahip parçacıklar, tüpler, teller, filmler, pullar veya kabuklar olarak düşünün.
Örneğin, karbon nanotüpleri nano ölçekte bir çapa sahiptir ancak birkaç yüz nanometre
uzunluğunda veya daha uzun olabilir. Nanofilmler veya nanoparçacıklar nano boyutta bir
kalınlığa sahiptir ancak diğer iki boyutları daha büyük olabilir. Burada anahtar nokta
nanomalzemelerin özel özelliklerinden yararlanmak, görmek ve işleyebilmektir.
Fakat atom kadar küçük bir şeyi çıplak gözle görmek imkânsızdır. Aslında, lise fen derslerinde
tipik olarak kullanılan mikroskoplarla görülemez. Nano ölçeğindeki şeyleri görmek için
gereken mikroskoplar yaklaşık 30 yıl önce nispeten icat edildi. Daha önce de belirtildiği gibi,
özel mikroskopların icadı, bilim insanlarına nano ölçekte çalışma yeteneği de kazandırdı.
Nanobilim ve nanoteknolojinin ardındaki fikirler ve kavramlar, daha nanoteknolojinin
kullanılmasından uzun süre önce 29 Aralık 1959'da Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde
(CalTech) Amerikan Fizik Derneği toplantısında fizikçi Richard Feynman tarafından "Altta Bir
Oda Var" başlıklı bir konuşma ile başlamıştı. Konuşmasında Feynman, bilim insanlarının
bireysel atomları ve molekülleri manipüle edebilecekleri ve kontrol edebilecekleri bir
süreçten bahsetti. On yıl sonra, ultra hassas işleme araştırmalarında Profesör Norio Taniguchi
nanoteknoloji kavramını hazırladı. Modern nanoteknolojinin başlangıcı tek atomları
"görebiliyor" olan tarama tünel mikroskopunun 1981 yılında geliştirilmesiyle ancak
başlayabildi.
Richard P. Feynman: (1918-1988) ABD'li kuramsal fizikçi. Kuantum elektrodinamiği
alanındaki çalışmaları nedeniyle 1965'te Nobel Fizik Ödülü'nü almıştır.
Bilim insanları taramalı elektron mikroskopu, transmisyon elektron mikroskopu ve alan iyon
mikroskopu gibi aletleri kullanarak nanometreyi görebildiler. Mikroskopide son gelişmeler ve
dikkat çekici gelişmeler tarama tünel mikroskopu ve atomik kuvvet mikroskopudur. Bilim
insanları, tarama tünelleme mikroskopu (STM) ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) gibi
doğru aletleri elde ettikten sonra, nanoteknoloji yaşı doğdu.
Taramalı tünelleme mikroskopu (STM) bilim insanlarının nanometre parçacıklarını, atomları
ve küçük moleküllerini görüntülemesine ve manipüle etmesine olanak tanıyan bir dizi araçtır.
Gelişim mucitlerinden Gerd Binig ve Heinrich Rohrer 1986'da Nobel Fizik Ödülünü kazandı.
Atomik kuvvet mikroskopları (AFM), mekanik bir prob ile yüzeyi "hissetmek" yoluyla bilgi
toplamaktadır. Gerd Binig, Calvin Quate ve Christoph Gerber ile birlikte 1986'da ilk AFM'yi
geliştirdi. Bu mikroskoplar, hassas mekanik taramayı mümkün kılmak için küçük ancak kesin
hareketlerden yararlanır.
Openafm web sitesi Kumagai Araştırma Grubu
Solda AFM(Atomik kuvvet mikroskopları) ve sağda Taramalı tünel mikroskopu (STM) çalışma
prensipleri gösterilmektedir.
Modern nanosistem ve nanoteknoloji oldukça yeni olmasına rağmen, yüzlerce yıldır nano
ölçekli malzemeler kullanılmıştır. Yüzlerce yıl önce ortaçağ kiliselerinin vitray pencerelerinde
alternatif büyüklükte altın ve gümüş parçacıklar renkler yarattı. Sanatçılar, o zaman bu güzel
sanat eserlerini yaratma sürecinin aslında birlikte çalıştıkları materyallerin kompozisyonunda
değişikliklere neden olduğunu bilmiyorlardı.
Günümüz bilim insanları ve mühendisleri artık bu icat edilen yeni mikroskop ve teknolojilerin
ışığında materyalleri nano ölçekte kasıtlı olarak, yüksek mukavemette, hafif ağırlıkta, ışık
spektrumunun artan kontrolü ve büyük ölçekli muadillerine kıyasla daha fazla kimyasal
tepkime vermesini sağlama gibi avantajlı özelliklerde üreterek kullanabiliyorlar.
Nano Ölçeğinde İmalat
Nano ölçeğe göre üretim “nanofabrikasyon” olarak bilinir. Nano üretim, nano ölçekli
materyallerin, yapıların, cihazların ve sistemlerin ölçeklendirilmiş, güvenilir ve düşük maliyetli
üretimini içerir. Ayrıca, yukarıdan aşağıya süreçlerin ve giderek daha karmaşıklaşan aşağıdan
yukarıya çıkarma veya kendi kendine montaj süreçlerinin araştırılması, geliştirilmesi ve
entegrasyonunu içerir.
Daha basit terimlerle nano üretim, gelişmiş malzemeler ve yeni ürünler üretmek için yol açar.
Yukarıda belirtildiği üzere, nano üretim için iki temel yaklaşım, yukarıdan aşağıya (top-down)
veya aşağıdan yukarıya (bottom-up) şeklindedir. Yukarıdan aşağıya imalat büyük parçacıkları
nano ölçeğe kadar indirir; biri, bir blok ahşaptan bir model uçak kazıyarak oluşturma
yönteminde olduğu gibi. Bu yaklaşım daha fazla miktarda malzeme gerektirir ve fazla
malzeme atılırsa atıklara neden olabilir. Nano üretim için aşağıdan yukarıya yaklaşımında,
atomik ve moleküler ölçekli bileşenlerden inşa ederek ürünler üretilir; bu da zaman alıcı
olabilir. Bilim insanları, belirli molekül ölçekli bileşenleri bir araya getirerek kendiliğinden
"sırayla kendilerini toparlayıp" sıralı yapılara dönüştürme konseptini keşfediyorlar.
EPmagazine web sitesi
Nanofabrikasyonda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya üretim prosesleri
Nanofabrikasyonda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya kategorilerinde, nano üretimi
etkinleştirecek yeni süreçlerin sayısı giderek artmaktadır. Bunların arasında şunlar bulunur:
• Kimyasal buhar birikimi; kimyasalların çok saf, yüksek performanslı filmler üretmek için
reaksiyona girdiği bir süreçtir.
• Moleküler ışın epitaksi; yüksek kontrollü ince filmlerin,
• Atomik katmanlı epitaksi; bir yüzey üzerine bir atom kalınlığında tabakaların çökeltilmesi
için bir işlemdir.
• Daldırma kalem litografisi, bir atomik kuvvet mikroskopunun ucunun bir kimyasal sıvıya
"batırıldığı" ve daha sonra kâğıda eski moda bir mürekkep kalemi gibi bir yüzeye "yazmak"
için kullanılan bir işlemdir.
• Nano baskı litografi, bir yüzey üzerine "damgalama" veya "basma" ile nanoküre
özelliklerinin oluşturulması için bir işlemdir.
• Roll-to-roll işleme, ultra ince plastik veya metal rulo üzerinde nanometre aygıtları üretmeyi
sağlayan yüksek hacimli bir işlemdir.
• Kendi kendine montaj, bir grup bileşenler grubunun düzenli bir yapı oluşturmak üzere bir
araya geldiği süreci tanımlar.
Malzemelerin yapıları ve özellikleri bu nanofabrikasyon işlemleri ile geliştirilebilir. Bu tür
nanomalzemeler, diğer özelliklerin yanı sıra, daha güçlü, daha hafif, daha dayanıklı, su itici,
anti-reflektif, kendi kendini temizleyen, mor ötesi veya kızılötesi dirençli, antifog,
antimikrobiyal, çizilmeye karşı dirençli veya iletken olabilir. Bu özelliklerden yararlanan
günümüzün nanoteknolojisi ile etkinleştirilmiş ürünler, beyzbol sopaları ve tenis raketleri ile
ham petrolün rafine edilmesi, biyolojik ve kimyasal toksinlerin aşırı hassas algılanması ve
tanımlanması için kullanılan katalizörlere kadar uzanmaktadır.
Nano ölçekli transistörler bir gün bugün kullanılanlardan daha hızlı, daha güçlü ve daha fazla
enerji verimli bilgisayarlara neden olabilirler. Nanoteknoloji ayrıca, bilgi depolama
kapasitesini katlanarak arttırma potansiyeline sahiptir. Yakında bilgisayarınızın tüm belleği
tek bir minik çipte saklanabilecektir. Enerji alanında nanoteknoloji yüksek verimli, düşük
maliyetli pilleri ve güneş pillerini mümkün kılacaktır.
NANOTEKNOLOJİ FAYDALARI VE UYGULAMALARI
20 yıldan uzun süren temel nanobilim araştırmalarından sonra nanoteknoloji uygulamaları,
nanoteknolojinin topluma fayda sağlama sözü üzerine hem beklenen hem de beklenmedik
yollarla ilerlemektedir.
Nanoteknoloji birçok teknoloji ve endüstri sektöründe bilgi teknolojileri, vatan güvenliği, tıp,
ulaşım, enerji, gıda güvenliği ve çevre bilimi ve diğer pek çok alanda önemli ölçüde
iyileştirmeye, hatta devrim yaratmaya yardımcı oluyor. Ayrıca nanoteknoloji yüzeyleri
kendiliğinden temizlemek ve uzun süre temiz kalabilmek için de kullanılmaktadır.
Nanoteknoloji bugün kozmetik, güneşten koruyucular, giyim ve diğer birçok tüketici
ürünlerinde bulunabilir. Aşağıda, nanoteknolojinin faydaları ve uygulamalarıyla hızla büyüyen
bir listenin örnekleri bulunmaktadır.
Gündelik Materyal ve Süreçlerdeki Uygulamaları
Materyal yapılarında spesifik özelliklere erişimi çok küçük ölçeklerdeki nanoteknolojinin pek
çok özelliğinden faydalanılarak sağlamak mümkündür. Böylece materyal bilimi araç setini
büyük ölçüde genişletir. Nanoteknolojiyi kullanarak materyaller, diğer pek çok özelliği
arasında etkili bir şekilde daha güçlü, daha hafif, daha dayanıklı, daha reaktif, daha iyi elektrik
iletkenleri yapılabilir. Birçok günlük ticari ürün şu an piyasada ve günlük kullanımda nano
ölçekli materyal ve proseslere dayanmaktadır:
• Kumaşlara nanometre katkılar veya yüzey işlemleri, kişisel vücut zırhlarında hafif balistik
enerji saptırması sağlayabilir veya buruşukluk, lekelenme ve bakteri gelişimine karşı
koymalarına yardımcı olabilir.
• 1990’lı yılların başında Almanya’nın Bonn Üniversitesi’nden Wilhelm Barthlott, nilüfer
yapraklarının mikroskobik tasarımını gün ışığına çıkardı. Dışarıdan bakıldığında fark
edilmemesine karşın, bitki mikroskobik ölçüde son derece özel bir yüzey tasarımına sahiptir.
Buna göre nilüfer yaprakları 5-10 mikrometre (milimetrenin binde biri) yüksekliğinde ve
birbirinden 10-15 mikrometre mesafede olan çok küçük tümseklere sahip. Sonuçta ortaya
0.1 mikrometre genişliğinde, tellerden oluşan engebeli bir yüzey çıkıyor. Bu tepeler
balmumuyla kaplı. Bu bozuk yüzey şekline sahip olması sayesinde su damlacıkları yüzeyle
tam bir temas sağlayamıyor ve kendi ağırlıklarıyla aşağıya doğru akıyorlar (bilgilerdünyası
web sitesi).
Nilüfer çiçeğinin bu özelliği ona bakteri ve mikroplara karşı önemli bir koruma da sağlıyor.
Yağmur damlalarıyla temizlenen yapraklarda mikroskobik ölçekteki canlılar bile tutunamıyor.
Böylece bitki hem toz ve kirden, hem de hastalıklardan uzak kalıyor (roboturka web sitesi).
• Gözlükler, bilgisayar ve kamera görüntüleri, pencereler ve diğer yüzeylerdeki net nano
ölçekli filmler, suya ve kalıntıya karşı etkili, antireflektif, kendiliğinden temizlenebilir, mor
ötesi veya kızılötesi ışığa karşı, antifog, antimikrobiyal, çizilmeye karşı dirençli veya iletken
olabilir.
Technicaltextile web sitesi
Nilüfer çiçeğinin su tutmayan tasarım ve yapısını gösteren figür.
• Nano ölçekte materyaller, sağlıkta izleme, güneş enerjisi yakalama ve hareketle enerji
toplama kabiliyetleri olan esnek Nane ölçek sensörler ve elektronik donanımlı yıkanabilir,
dayanıklı "akıllı kumaşlar" ı da etkinleştirmeye başlıyor.
• Otomobil, kamyon, uçak, tekne ve uzay aracının hafifletilmesi önemli ölçüde yakıt tasarrufu
sağlayabilir. Polimer kompozit malzemelerdeki nano ölçekli katkı maddeleri beyzbol
sopalarında, tenis raketlerinde, bisikletlerde, motosiklet kasklarında, otomobil parçalarında,
bavullarda ve elektrikli alet gövdelerinde kullanılmakta ve hafif, sert, dayanıklı ve esnek
olmaktadır. Karbon nanotüp levhaları şimdi yeni nesil hava araçlarında kullanılmak üzere
üretilmektedir. Örneğin, hafiflik ve iletkenlik kombinasyonu onları elektromanyetik koruma
ve termal yönetim gibi uygulamalar için ideal hale getirir.
• Enzimlerin nano-biyomühendisliği, selülozun ahşap talaşı, mısır sapları, fermente
edilmemiş uzun ömürlü otlar, vb.den yakıt için etanole dönüştürülmesini amaçlamaktadır.
Selülozik nanomalzemeler, elektronik, inşaat, paketleme, gıda, enerji, sağlık, otomotiv ve
savunma da dahil olmak üzere geniş bir endüstriyel sektör serisinde potansiyel uygulamalar
sergilemiştir. Selülozik nanomalzemelerin, diğer birçok nanomalzemeye göre daha ucuz
olduğu ve diğer özelliklerin yanı sıra etkileyici dayanıklılık / ağırlık oranı olacağı
öngörülmektedir.
• Otomotiv ürünlerinde Nano-mühendislik malzemeleri yüksek güçlü şarj edilebilir pil
sistemleri, sıcaklık kontrolü için termoelektrik malzemeler, daha düşük yuvarlanma direncine
sahip lastikler, yüksek verimlilik / düşük maliyetli sensörler ve elektronik, ince film akıllı
güneş panelleri ve daha temiz egzoz için yakıt katkılarını da içeren geniş bir alandır.
• Nanoyapılı seramik kaplamalar, makine parçaları için geleneksel aşınmaya dayanıklı
kaplamalara kıyasla çok daha fazla tokluk sergiler. Ayrıca Nanoteknoloji özellikli yağlayıcılar
ve motor yağları aşınma ve yıpranmayı önemli ölçüde azaltır. Bu da, hareketli parçaların
ömrünü elektrikli el aletlerinden endüstriyel makinelere kadar önemli ölçüde uzatabilir.
• Nanoparçacıklar kimyasal reaksiyonları artırmak için katalizör olarak giderek daha fazla
kullanılmaktadır. Bu, arzulanan sonuçları üretmek, paradan tasarruf etmek ve kirleticileri
azaltmak için gerekli katalitik malzemelerin miktarını azaltır. İki büyük uygulama petrol
arıtımında ve otomotiv katalitik konvertörlerdir.
• Nano-mühendislik malzemeleri, yağ giderme maddeleri ve leke çıkarıcılar gibi üstün ev
ürünleri üretir: Çevre sensörleri, hava temizleyicileri ve filtreler, antibakteriyel temizleyiciler,
özel boyalar ve sızdırmazlık ürünleri, kir ve izlere dirençli kendini temizleyen ev boyaları.
• Performansı artırmak için nano ölçekli malzemeler de çeşitli kişisel bakım ürünlerine dahil
edilmektedir. Nano ölçekli titanyum dioksit ve çinko oksit, güneşten koruyuculuk amacıyla
yıllardır güneşten korunma sağlamak için kullanılırken cildi görünmez kılmaktadır.
Elektronik ve IT Uygulamaları
Nanoteknoloji, bilgi işlem ve elektronik alanlarındaki ilerlemelere büyük katkıda
bulunmuştur. Bu, daha büyük ve daha fazla miktarda bilgiyi yönetebilen ve depolayabilen
daha hızlı, daha küçük ve daha taşınabilir sistemlere yol açmaktadır. Sürekli gelişen bu
uygulamalar şunları içerir:
• Transistorlar, tüm modern bilgisayar işlemlerini mümkün kılan temel anahtarlar,
nanoteknoloji ile çok daha küçük hale gelmiştir. Yüzyılın başında tipik transistor boyutu 130
ila 250 nanometre idi. 2014'te Intel 14 nanometre transistor oluşturdu. IBM 2015'te ilk yedi
nanometre transistörü oluşturdu ve sonra Lawrence Berkeley National Lab 2016'da bir
nanometre transistor gösterdi. Daha küçük, daha hızlı ve daha iyi transistörler,
bilgisayarınızın tüm belleğinin tek bir minik çipte saklanabileceği anlamına gelebilir.
• Manyetik rasgele erişimli bellek (MRAM) kullanarak bilgisayarlar neredeyse anında
"önyükleme" yapabilecekler. MRAM, nanometre ölçeğinde manyetik tünel kavşaklarıyla
etkinleştirilir ve bir sistem kapanırken veriyi hızlı ve etkili bir şekilde kaydedebilir veya
özgeçmiş özelliklerini etkinleştirir.
• Ultra yüksek çözünürlüklü ekranlar ve televizyonlar daha fazla enerji tüketirken daha canlı
renkler üretmek için kuantum noktalar kullanılmaktadır.
• Esnek, bükülebilir, katlanabilen, sarılabilir ve gerilebilir elektronik parçalar çeşitli sektörlere
ulaşmaktadır ve giyilebilir ürünler, tıbbi uygulamalar, havacılık uygulamaları ve İnternet gibi
çeşitli ürünlere entegre edilmektedir. Esnek elektronikler, örneğin akıllı telefon ve e-okuyucu
ekranlardaki uygulamalar için yarı iletken nanomembranlar kullanılarak geliştirilmiştir.
Grafen ve selülozik nanomalzemeler gibi diğer nanomalzemeler, giyilebilir ve "dövme"
sensörlerini, giyim üzerine dikilebilen fotovoltaik malzemeleri ve rulo haline getirilebilen
elektronik kâğıdı etkinleştirmek için çeşitli esnek elektronik türleri için kullanılmaktadır. Düz,
esnek, hafif, kırılgan olmayan, yüksek etkili elektronik üretmek sayısız akıllı ürüne kapı açıyor.
Ecouterre web sitesi Btnet web sitesi
Giyilebilir, bükülebilir esnek nanoteknolojik ürünler
• Diğer bilgisayar ve elektronik ürünler; akıllı telefonlar ve başparmak sürücüler için Flash