NANOTEKNOLOJİ ve  UYGULAMALARI

Nanoteknoloji Nedir?

Nanoteknoloji tanım olarak en az bir boyutu 1-100 nm olan materyaller, cihazlar ve sistemlerle uğraşan tüm bilim dallarına yeni ufuklar getiren yeni bir çalışma alanıdır. Nanometre metrenin milyarda biri olan bir uzunluk birimi olup, basitçe bir saç teli çapının 80000 de biri kadar uzunluğu ifade eder. Bu büyüklük çıplak gözle ve en iyi optik mikroskopla görülemez. Çok küçük uzunluk olmasına rağmen atom boyutunun 5-100 katı bir büyüklüktür. Maddenin boyutu nanometre mertebesine kadar küçüldükçe bunların mekanik, elektrik, ısıl, optik ve kimyasal özellikleri ve çevresi ile ilişkileri çok değişmekte, önceden ön görülmeyen büyük hacimli aynı maddeden çok daha farklı özelik ve davranışlar kazanır. Bazı hallerde bu yeni özellik, büyük boyuttaki maddeden çok üstün niteliğe sahip malzemelerin ve sistemler geliştirmesini sağlamaktadır.

Son yıllarda adını sıkça duyduğumuz, geleceğe yön verecek teknolojisi olarak görülen nanoteknoloji, diğer teknolojilere göre daha az bilindiğinden kimilerimize uzak gelmektedir. Nanoteknoloji dünya genelinde her geçen gün yeni çalışma alanları yaratmakta ve ürünleri günlük yaşantımıza artan hızla girmektedir.

Nanoteknoloji nanometre ölçeğinde fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların kontrolü ile bu boyutlarda fonksiyonel malzemelerin, araçların ve sistemlerin geliştirilmesi ve üretimi olarak da tanımlanabilir. Nanoteknoloji ile nano ölçekteki olayların değerlendirilip, benzerlerinin geliştirilmesiyle bilim ve teknolojide yeni üretim yollarını açmaktadır. Çağımıza yön veren bilgi, iletişim ve biyoteknoloj gibi bir ileri teknoloji olarak gelişen nanoteknoloji geleceğin teknolojisi olarak görülmektedir..

Nanoteknolojinin Tarihçesi

Her ne kadar  nanoteknoloji 21. yüzyılın teknolojisi olarak ifade edilse de bu alandaki çalışmalar çok eskilere dayanmaktadır. 100 yıl önce sanatçılar tarafından geliştirilen ve kullanılan çok ince ve dayanıklı boyalar renkli pencere camları, yarı iletken ve transistorlerin üretimi aslında nanoteknolojinin ilk uygulamalarıdır. Organometalik yüzey katalizörlerinin hazırlanması da bir tür nanoteknoloji uğraşısıdır.

Feynmanın 1959 bir konuşmasında atom- atom moleküllerin oluşturulup parçaların imal dilebileceğini bildirmesiyle başladığı kabul edilse de nanoteknoloji terimi ilk kez 1986 yılında K. Eric Drexler tarafından kullanıldı. Ancak bu alandaki ilk araştırmaların moleküler robotlar ve robot parçaları üretimi çalışmalarıyla başladığı söylenebilir. D.J. Cram, J.M. Lehn ve C.J. Pederson subra moleküler bileşiklerin sentezi ve nano taneciklerin özelliklerini araştırmaları ile 1987 yılında kimya dalında Nobel ödülünü almışlardır.  K. E. Drexler ‘in Nanosystems: molecular machinery, manufacturing and computation  kitabı 1992 yılında John Wiley and Sons yayınevi tarafından yayınlanmasından sonra kullanımı yaygınlaştı.

Tüm Dünya Ülkeleri bir Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama planlamalarını yapmışlar ve çalışmalara başlamışlardır. Her ülke ve özel sektörü kendisi için en uygun öncelikli alanları saptamıştır. Başta ABD olmak üzere Japonya, Almanya, Rusya ve birçok Avrupa ülkesi nanoteknolojik araştırmalara büyük kaynak aktarmaktadırlar. AB 6. Çerçeve Programlarında nanoteknolojik araştırmalarda kullanılmak üzere 1300 M.Euro, 7. Çerçeve Programında 4 milyar Euro ayırmıştır. Ülkemizde de TÜBİTAK desteği ile Bilkent Üniversitesinde bir Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (UNAM) kurulmuştur. Halen birçok üniversitemizde değişik bilim alanlarında nanoteknoloji araştırma üniteleri açılmakta, bu alanda çalışmalar yapılmaktadır. Çinde bir milyon kişi, Almanyada 200 bin kişi nanoteknoloji alanında istihdam edilmektedir. Bazı Ülkelerde Nanoteknolojiye Yönelik Araştırma ve Uygulama planlarını yıllara göre oluşturarak çalışmalarına başlamışlardır. Almanya, Japonya, ABD, Fransa, Çin, gibi ülkeleri Rusya, Kore, Polonya gibi ülkeler izlemektedir.

Üniversite ve kamu kuruluşları yanında başta kozmetik, tıbbi alet ve ilaç üreten firmaları olmak üzere elektronik, tekstil, boya ve güneş enerjisiyle uğraşan firmalar gibi özel kuruluşlar da nanoteknoloji alanlarına büyük yatırımlar yapmaktadırlar.

Bilgi çağının teknolojisi nanoteknolojidir. Naoteknolojik araştırma ve çalışmalar:  a) Nano ölçekteki yapıların analizi, b) Nano boyuttaki yapıların fiziksel özelliklerinin araştırılması ve anlaşılması, c) Nano ölçekli malzemenin üretimi, d) Nano duyarlıkta aletlerin geliştirilmesi,
e) Nanoskopik ve makroskopik dünya arasında bağ kurulmasına yardımcı olacak yöntemlerin bulunup geliştirilmesi gibi konuları kapsar.

Nanoteknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları

Nanoteknoloji elektronik ve yarı iletken teknolojisinden, biyo-sensörlere, nano tüplerden nano tanecik sistemlerine, katalizörlerden akıllı moleküllere, yüzey kaplamalardan, nanoboyutta boyamalara, mikro cerrahiden nano ropotlara kadar birçok alanda kullanım alanı bulmuştur. Başlıca uygulamalarını üç alanda toplayabiliriz. Bunlar:

1-Endüstriyel Alan: Mikro makineler, mikro pompalar, mikro sensörler geliştirme, opto-elektronik elemanların imali, bir araya getirilmesi, nano boyutlu kaplamalar, monolayer katalizörlerle tepkimelerin kontrolü, nano boyutlu elemanlar arası bağlantılar, chip ve CD üretimi.

2-Tıp ve Sağlık Alanı: Mikro-nano cerrahi( özellikle göz ve beyin cerr.), diyagnostik kitler, hücre, doku ve moleküler (DNA gibi) hasar belirlenmesi ve onarımı, biyo sensörler, floresans ve fosforesans nano tanecik sistemleri içeren yarı iletken maddeleri kullanarak anti kor ve DNA dedektörleri gelişimi, bu sistemleri kullanarak kan örneklerinde birçok patojenik ve hasarlı yapıların aynı anda ve paralel belirlenmesinde,

3- Bilimsel Araştırmalar: Yüzey karekterizasyonu ve modifikasyonu, yüzey işlemleri, nano litografi, akıllı moleküllerin geliştirilmesi, atom ve moleküllerin istenilen yer taşınması veya önce ayrılarak sonra tekrar birleştirilmesi, mikroorganizmaların taşınması, DNA-modifikasyonu. Nanotknolojinin yeni kullanım alanlarının araştırılması.

Nanoteknolojinin Tipik Uygulama Örnekleri

1- Karbon nanotüp ve nano litografi,
2- Karbon lifler üreterek hidrojen bataryası olarak kullanma,
3- Nano kütüphaneler,
4- Veri bilgi depolama (Noval data storage system),
5- Hücre onarım robotları (Cell repair units),
6- Nano robot ve nano ölçekli ilaç taşıyıcıların yapımı,
7- Nanocerrahi,
8- Plastik şişelerin monolayer silisyum dioksitle kaplayarak cam ve plastiğin üstün özelliklerinin birleştirilmesi,
9- Polietilen üretiminde zincir yapısı değişimi ile çelikten sağlam taşıyıcı halat üretimi,
10- n ve p tipi transistör ve elektonik devrelerin imali,
11- Femto saniye-nanoteknoloji ile moleküllerde birçok kimyasal ve fiziksel özelliğin ölçülmesi,
12- Tekstilde nanoteknoloji uygulaması ile nanometre kalınlıkta liflerden, özellikle karbon liflerden kumaş hazırlanması, kumaşların monolayer bir madde ile kaplanarak su tutmayan ve yanmayan ama esnekliğini koruyan kumaş üretimi.
13- Nano partiküllerden boya hazırlayarak çizilmez ve dayanıklı yüzey boyamaları ve yüzey işlemleri,
14- Nano boyutta organometalik katalizörlerle yüzeyin kaplanması ve yüzey tepkimelerinin kontrolü.

Nanolitografi

Nano aletler kullanarak molekül ve atom düzeyindeki malzemelerin bir yere biriktirilmesi veya oradan uzaklaştırılması yaklaşımına litografi denir. Bilinen robotların mikroskopik benzerlerini yaparak bunlar aracılığı ile nano ölçekte üretim yapılması, bilinen cihazları kullanarak atom ve molekülleri amaca göre yönlendirme ve yönetme de litografidir.

Uygulama alanların listesinden görülebileceği gibi kimyacılar, fizikçiler, elektronikçiler, biyologlar,tıp hekimleri, eczacılar, ziraatçılar, gıdacılar, tekstilciler hatta genel ifadeyle tüm temel ve uygulamalı bilimciler nanoteknoloji alanlarında çalışabilirler.

Nanoteknolojinin araçları, alet ve yardımcıları

-Nano teknolojinin araştırılmasında, ürünlerin ve sistemlerin kontrolünde kullanılan en önemli araçları taramalı prob mikroskopları, özellikle atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobudur. Nano teknolojideki gelişim, prob mikroskoplarının gelişimini hızlandırdığı, kullanımını yaygınlaştırdığı gibi, bu cihazları nanoma-niplatör olarak (mikrorobot) kullanarak nano teknolojinin uygulanmasını artırıcı etki yapmıştır. Bu yönde özellikle biyolojik ve bilimsel uygulamalar yaygınlaşmaktadır.

Teknolojideki yeni gelişmeler sonucu  elektron- iyon spektroskopisi gibi yüzey analiz teknikleri, optik mikroskop yerine elektron mikroskopisi, tünel elektron mikroskopisi, atomik kuvvet ve iş fonksiyon spektroskopisi gibi moleküler büyüklüklerin görüntülenmesine imkan veren görüntüleme teknikleri, optik sensörler, laser ve fiber optik, nano ve hatta femto saniyede ölçüm yapan yarıiletken dedektörlü ölçü sistemleri  ileri teknoloji laboratuvarlarının vaz geçilmez araçları olmuştur.

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.

Bugün bu mikroskobik teknikler:
Kaplama homojenliği ve etkinliğinin incelenmesi,  katı faz katalizör yüzeyleri, gibi yüzeyin morfolojik ve topografik yapısı ve yüzey bileşenlerinin belirlenmesinde, sağlık teknolojisinde, güneş enerjisinden yararlanmada kullanılan güneş pillerinin etkinliğinin artırılmasında kullanılmaktadır

Elektronik ve Bilgisayar Endüstrisi: Bu Endüstri  kollarında özellikle ultra saf silisyum ve germanyum gibi yarı iletkenlerin saflık kontrolünde katı örneklerde safsızlıkların analizinde kullanılan kombine kütle spektroskopisi teknikleri (GF-ICP-MS, SS-MS, Laser-MS, ESCA-MS gibi) ile bu yarı iletkene dote edilen veya bunlar üzerine kaplanan diğer metallerin ( Li, As, Ga, Co, Au,Ag gibi) tayinlerinde ESCA, SİMS, NPMS, TXRF ve değişik elektron mikroskopisi  başta olmak başta olmak üzere yüzey analiz ve derinliğine profil analizi teknikleri nanoteknolojide de en çok kullanılan analiz teknikleridir.

Prob Mikroskopları

Prob mikroskopları ailesinin iki temel üyesi atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı tünnelleme mikroskobudur (STM)

Atomik kuvvet Mikroskobu, sıvı ya da katı örneklerin yüzey topografisini nanometre (nm) seviyesinde görüntüleyebilen ve moleküller arası kuvvetleri (nN, pN) ölçebilen bir sistemdir.

Örnek ile iğne arasındaki kuvvet etkileşimi sonucu kaldıraç mekanizması nm ölçeğinde hareket eder. Bu hareketten faydalanılarak bilgisayar ortamına aktarılan veriler, yazılım aracılığıyla derlenerek ya örneğin görüntüsü elde edilir ya da iğne ve örnek arası etkileşimler ölçülür. 

Atomik Kuvvet Mikroskopu ve Çalışma İlkesi: Hassas bir iğnenin yüzeyi  taramasıyla, yüzeyin yüksek çözünürlüklü 3d görüntüsünü verir. Örneğin iletken olma koşulu yoktur. Havada, sıvı, vakum ortamlarında görüntüleme yapabildiğinden, örnek hazırlama, kullanım kolaylığı ve kapladığı hacim ile taramalı elektron mikroskobuna alternatif bir mikroskobik tekniktir.

Biyolojik örnekler, kaplamalar, seramikler, kompozitler, camlar, membranlar, metaller, polimerler ve yarıiletkenler  gibi materyallerin yüzeyleri ayrıntılı görüntülenebilir ve  elektriksel yük, manyetiklik, adhesif, hidrofilik davranış gibi çeşitli özellikleri belirlenebilir.

İğne ucuna immobilizasyon ile moleküller arası çekim kuvvetlerinin ölçülmesi ve moleküler sensör çalışmaları gerçekleştirilebilir.