Nanoteknoloji nedir? faydaları ve kullanım alanları nelerdir?


Nano nedir?

“NANO” kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir ve “küçük yaşlı adam veya cüce” demektir. Nanometre; fizikte bir metrenin milyarda biri anlamına gelen ölçü birimidir. O halde “nanoteknoloji” insanın saç kılının seksen binde biri büyüklüğünde “nano” ölçüdeki parçacıklarla uğraşır.

Günümüzde nanoteknoloji önemli bilimsel ve teknolojik projelerin odak noktası haline gelmiştir. Yan yana dizilmiş 10 hidrojen atomunun bir nanometre uzunluğunda yer kapladığı ya da DNA  moleküllerinin 2,5 nanometre genişliğinde olduğu düşünülürse bu teknolojinin hangi boyutlarda iş görmek üzere tasarlanıp geliştirildiği anlaşılır.

Nanometrenin ne kadar küçük bir uzunluk birimi olduğunu anlayabilmek için görüp dokunabileceğimiz nesneler dünyasından örnekler verelim: Bir karınca 2 milyon nanometre boyutundadır. Bir virgül yaklaşık 500.000 nanometreye yayılır. Serçe parmağınızdaki tırnak on milyon nanometre uzunluğundadır. Güneş gözlüğü camı üzerindeki kaplamanın kalınlığının onda biri; bir nanometredir. Toplu iğne başı bir milyon nanometre genişliğindedir. Bir banknotun kalınlığı 100.000 nm dir. Bir kişinin tıraş bıçağını yüzüne götüreceği sürede sakalının uzama miktarı bir nanometredir.

Nano boyutlara indiğimizi hayal edelim: 1,5 metre boyundaki arkadaşımız Ahmet‟i ele alalım. Arkadaşımızı 1000 kez küçülttüğümüzü düşünelim o zaman 1,5 mm boyunda olacaktır ve buraya milidünya dersek; bir toplu iğnenin başı veya bir kurşun kalemin ucuna denk gelir. Ahmet‟i 1000 kez daha küçültelim boyu 1,5μm olacaktır ve mikro dünyada mikroçipleri ve alyuvar hücrelerini görür. 1000 kez daha küçültürsek Ahmet artık nanodünyadadır, boyu 1,5 nmdir ve nanodünyada altın atomlarını veya su moleküllerini görür. Nanodünyayı görmesi için Ahmet‟i toplamda 1 milyar kez küçültmüş olduk.

Nanoteknolojinin öncüleri

Nanoteknoloji’nin fikir babası Nobel ödüllü fizikçi Richard P. Feynman’dır. 1959 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsündeki “Aşağıda Bir Sürü Yer Var” adlı konuşmasında minyatürleşmenin geleceğinden bahsedip maddenin atomik katmanda işlenebilmesi olasılığından söz etmiştir böylece nanoteknoloji fikrini ortaya atmıştır.

Feynman‟ın bu konuşması teorikte o günlere göre çok fantastik olarak karşılanmıştı. Oysa fiziğin sınırları dışına çıkmıyordu, atomlara fizik şartları altında hakim olmamıza hiçbir engel olmadığı görüşündeydi. Feynman zamanımızın teknolojisini tam bir şekilde önceden söylemeyi başarmıştı.
Richard Feynman elektron mikroskobuyla göremediklerini arıyordu. Oysa 10 angström elektron mikroskobunun görüntülemesi için yeterliydi. Onun aklına cevabını çok iyi bildiği şu soruyu sormak geldi: Daha küçükleri bu doğada mevcut değil miydi?

Feynman düşüncelerinde o kadar ciddiydi ki 24 ciltlik Britannica Ansiklopedisini bir toplu iğnenin başı büyüklüğünde bir alana sığdırabileceğine inanıyordu. Bu düşüncenin gerçekleşmesi için o zamanki standart tekniklerin buna yeterli olmayacağını ama gelişen teknolojiyle birlikte bunun mümkün olacağını bu yüzden elektron mikroskobundan daha iyi bir mikroskoba ihtiyaç duyacaklarını söylüyordu.
Bilgisayarların minyatürleştirileceğini, çok çok küçük makinelerle DNA kodlarının çözümünün yapılabileceğini ve enerji problemlerini halledebileceklerini dile getirdi. Aynı konuşmasında Feynman gençleri 1cm‟nin yaklaşık 25‟te birinden daha küçük, çalışır bir motor yapmaya davet etmiştir.Motoru yapana 1000 dolar ödül vaat etmiştir. İki genç bu yarışmayı kazanmıştır. 1983‟te William McLellan adlı genç istenen küçüklükte bir motoru yapmayı başarmıştır ve aynı yıl Tom Newman adlı genç, elektron baskı aygıtını kullanarak Charles Dickens‟ın “A Tale of Two Cities” romanının ilk sayfasını 25000 kez küçültmüştür.

1970‟li yıllarda MIT de master yapan K. Eric Drexler adlı bir üniversite öğrencisi bu ilişkinin ne derece muhteşem bir fikir olduğunu anladı. Biyolojik sistemlerden esinlenerek molekül boyutunda makineler yapılabileceğini önerdi ve çalışmalarını bir kaç konferans ve seminerde anlattıktan sonra, 1986da Engines of Creation, 1991de Unbounding the Future, 1992de de Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation adlı kitaplarıyla bütün bunları bilim camiasıyla paylaştı. İlk kez nanoteknoloji terimini kullanan kişi olarak Eric Drexler nanoteknolojinin öncüsü olmuştur.

Nanoteknoloji‟nin hayallerden çok uzaklarda dünyanın açtığı yeni kapının anahtarı olması için 1981‟de IBM‟in İsviçre‟deki Zürih Araştırma Laboratuarlarında Heinrich Rohrer ve Gerd Karl Binnig tarafından icat edilen ve atom parçacıklarını 2000 kez büyültme özelliğiyle elektron mikroskobunun ölçtüğü angstromun 10‟da biri boyutundaki 1 nanometreyle, altına inen STM(Scanning Tunneling Microscopy)‟nin büyük katkıları olmuştur.

1989‟da D.Eigler ve E.Schweizer 35 Xenon atomu ile IBM logosunu yapmışlardır. Nokta işaretine 350 milyon tane sığdırılabilmektedir.

Nanoteknolojinin kurucuları arasında sayılan Richard Smalley, 1996 yılında (buckminsterfullerene) buckyballs adı verilen yeni bir karbon türü buluşundan ötürü, Robert Curl ve Harold Kroto ile kimya dalinda Nobel Ödülü almıştır.

Nanoteknoloji

Nanoteknoloji; 1-100 nanometre boyutlarındaki maddelerin anlaşılması, kontrol edilmesi ve atomsal seviyede değiştirilip, işlevsel hale getirilmesidir.

Nanoteknoloji terimi, belli bir endüstri dalını belirtmez, moleküller ve atomlar gibi doğanın en küçük yapı taşlarını kullanarak elde edilen bilimsel ve teknolojik gelişmeleri niteler. Nanoteknoloji, bugün metrenin bir milyarda biri arasında değişen malzemelerin üretimi ve bu malzemeleri kullanarak üretilen sistemlerin kullanımıyla alakalı teknolojidir; yeni bir alandır.

Nanoteknoloji nerelerde kullanılır?

Nanoteknoloji; fizik, kimya, biyoloji ve mühendislik gibi disiplinler arası bir konuma sahiptir. Endüstri, uzay, ilaç, elektronik, tarım ve sağlık gibi bütün alanlara potansiyel etkileri bulunmaktadır. Bu nedenle birçok gelişmiş ülke tarafından, en kritik araştırma alanı olarak desteklenmektedir. Nanoteknoloji, tıptan havacılık ve uzay alanına kadar çok geniş bir yelpazede atom büyüklüğünde cihazlar ve makineler üretilmesini sağlayabilir. Günümüzde Nanoteknoloji, üstün özelliklere sahip çok küçük parçacıklardan yapılmış malzemelerin üretiminde başarı sağlamıştır. Maddelerin farklılığı atomların değişik dizilimlerine dayanır. Örneğin; Kalsiyum karbonat molekülleri testere ucu gibi bir düzen için de dizildiğinde kırılgan ve kolayca ufalanabilir tebeşirler elde edilir. Aynı moleküller tuğla gibi üst üste istiflendiğinde denizkulağının sağlam ve yanardöner kabuğunun katmanlarını oluşturuyor.
Bir başka örnek; karbon atomlarının farklı dizilimleriyle birbirinden çok farklı özellikler sergileyen elmas, grafit, buckminsterfullerene (60 ya da daha fazla karbon atomunun birleştirilmesiyle oluşan futbol topu şeklindeki moleküler yapı) ve karbon nanotüplerdir.Nanotüpler, kristal grafitlerden oluşan hegzagonal örgüdeki karbon atomlarının oluşturduğu silindirik yapılardır.

Malzemeler nanoboyutlarda kontrolsüz ve düzensiz olması nedeniyle bilinen özelliklerini kaybeder.100 nm altında kuantum mekanik güçlere bağlı benzersiz özellikler kazanır. Nanoteknoloji şuan malzemelerde aynı anda bulundurulamayan özellikleri nanoölçekteki boyutlarında bulundurmaya imkan sağlar.

Alüminyum folyoyu küçük şeritler halinde parçalayalım fiziksel özelliklerinde bir değişme olmaz hatta mikroskopla görülebilecek kadar küçük parçalara ayırsak bile hala alüminyumun fiziksel özelliklerine sahip olacaktır. Ama parçalamayı sürdürürsek 20 ile 30nm boyutunda bu parçalar patlayabilir. Bu özelliği nedeniyle roket yakıtına nano-alüminyum eklemekten söz edilmektedir.

Bugün bildiğimiz birçok malzeme nano boyutlarda değişik özellikler sergiliyor. Her malzemenin nano boyutlarda faydalı özellikler sergilediği söylenemez tabi ama bazılarının bu özelikleri sergiliyor olması bir avantaj. Örneğin; külçe altın oda sıcaklığında tepkimeye girmezken 3-5 nanometre boyutlarındaki altın parçacıkları pek çok tepkimeyi tetikleyebiliyor ve katalizör olarak kullanılıyor. Bir Japon firması nano altınların koku sebebi bakteriyel oluşmaları önleme özelliğini keşfetmiş ve bu özelliği kullanarak bunlardan koku yiyiciler geliştirmiştir. Nano altın ve nano gümüş parçacıkları ile malzemelerin anti bakteriyel özellik kazanması pek çok sektörü etkilemiştir. Nano altın parçacıklarının tekstilde kullanılan polimer maddesiyle birlikte işlenebilmesi ile antibakteriyel kumaş elde edilirken iç yüzeyi nano gümüş kaplı buzdolapları ile bakterileri önleyip yiyeceklerin ömrünü uzatmak mümkün olmuştur. Gözle görülemeyecek kadar küçük olan nano parçacıkların, yaşama yansıması gözden kaçmayacak kadar büyüktür.

Nanoteknolojinin araştırılmasında, ürünlerin ve sistemlerin kontrolünde kullanılan en önemli araçları taramalı prob mikroskopları, özellikle atomik kuvvet mikroskobu (ATM) ve taramalı tünelleme mikroskobudur (STM). STM 1981‟de yapılmıştır ve 1989‟da atomların STM ile biryerden bir yere taşınabileceği bulunmuştur.

Nanoteknolojideki gelişim, prob mikroskoplarının gelişimini hızlandırdığı, kullanımını yaygınlaştırdığı gibi, bu cihazları nanomaniplatör olarak (mikrorobot) kullanarak nanoteknolojinin uygulanmasını artırmıştır.

Teknolojideki yeni gelişmeler sonucu çok değişik tür ve sayıda analitik mikroskop ortaya çıkmıştır. Bunlar:

1- Geçirgen ve yansımalı optik mikroskop, faz kontras ve UV mikroskop,
2- Geçirgen, yansımalı, taramalı, elektron emisyon, alan elektron emisyon mikroskopları (TEM, REM, SEM, EEM, FEM);
3- İyon mikroskopları: geçirgen iyon, taramalı iyon, alan iyon mikroskopları (TIM, SIM,FIM) ;
4- Diğer mikroskoplar: Tünelleme, taramalı tünelleme, atomik kuvvet, iş fonksiyon, manyetik kuvvet, yakın alan optik taramalı, balistik elektron emisyon mikroskopları (TUEM-TM,STM, AFM, WFM, MFM, NSOM, BEEM) gibi onlarca mikroskobik teknik değişik amaçlarla nanoteknolojide kullanılmaktadır.

Nanoteknolojinin altında yatan bilimi bir gün tam anlamıyla anladığımızda, “doğa, nanodünyada insanlığa yardımcı olabilecek pratik aygıtlar yaratmak için yeterince yer bırakmıştır”, diyen Richard Feynman’ın bu sezgi ve öngörüsünü de bütünüyle hayata geçirmiş olacağız.


Yorumlar 0

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir