Şekil-2: Nanoyapılı
malzemelerin sınıflandırılması
Şekil-3: Nanomalzemelerde nanoskala
Nanomalzemeler doğanın her yerindedir, çevrenin
parçalarıdır. En popüler Nanomalzeme odundur. Odunun yapısı hiyerarşik bir
skala gösterir; en büyük skalada kısa fiberler (20-30 μm çap, 2-5 mm uzunluk),
orta skalada nanofiberler (<100 nm çap, >1 mm
uzunluk), ve en küçük skalada kristalitler (<5 nm genişlik, <300 nm
uzunluk) bulunur. Mekanik özellikler yapının küçülmesiyle yükselir; yumuşak
yapıdan odun nanokristallere doğru gidildiğinde, örneğin, elastiklik özelliği
12 kat, kuvvet ise 100 kat yükselir.
Doğadaki diğer Nanomalzemeler grubu lignoselüloziklerdir.
Tipik örnekler olarak kollajen fibriller (hayvansal orijinli), nanofiberler
(odun, bitki, tahıl veya bakteriyel kaynaklı), kristaller veya whiskerler
(odun, bitki, ekin kaynaklı) gösterilebilir.
Nanoteknoloji, küçük boyutlardaki yapıların fevkalade
özelliklerini kullanılabilir hale getirebilmek için geliştirilmiş yöntemlerle
nanometre (atomik/moleküler) skalada yapılardan çeşitli malzemeler, aletler ve
makinelerin yapımına olanak veren teknolojilerdir.
Bir nanometre, bir metrenin milyonda biridir (10-9
m); yani, insan saç telinin çapının 100 000’de biri, kırmızı kan hücresinin
binde biri ve DNA’nın yarısı kadar bir büyüklüktür. Nanomalzemelerin boyutsal
morfolojilerine göre nanokompozitler 0D, 1D, 2D ve 3D yapılarda olabilir. Bulk
(kütle) malzemeler nano skala yapı bloklarından yapılır veya nano skala nanoyapılardan
meydana gelir. Bulk malzemelerin (çevrede görülen büyük parçalar) fiziksel
özellikleri makroskobiktir; yani aynı veya süreklidir. Kum tanecikleri gibi
mikron büyüklüklerdeki malzemeler de benzer fiziksel özellikler gösterir. Fakat
taneciklerin büyüklüğü nano boyutlara düştüğünde davranışları klasik fizik
ilkeleriyle (hareket, enerji, v.s.) açıklanamaz; artık kuantum mekanik ilkeleri
söz konusu olur. Bir malzemenin nano skaladaki örneğin, optik, mekanik ve
elektriksel özellikleri makroskaladaki (bulk hali) değerlerinden çok farklı,
hatta tam tersi bile olabilir. (Şekil-1, 2 ve 3)
Nanomalzemeler, nanobilim ve nanoteknolojinin köşe
taşlarıdır. Nanoyapı bilimi ve teknolojisi, son yıllarda dünyadaki araştırma ve
geliştirme çalışmalarının yoğunlaştığı geniş ve disiplinler arası bir alandır.
Şekil-4‘de bilim ve teknolojinin yüz yıllık bir projeksiyonu şematik olarak
gösterilmiştir.
Nanoteknolojinin Dünü,
Bugünü, Yarını
İnsanlık nanoteknolojiyi 2000 yıl öncesinden bu yana
kullanmaktadır. 1700 yıl önce Romalılar altın ve gümüş nanopartiküller
kullanarak içki kupaları, 1600 yıl önce Arap zanaatkarlar nanoborular ve
nanoteller kullanarak çelik kılıçlar yapmışlardır. Rönesans döneminde
İtalyanlar 500 yıl kadar önce dekoratif tabakların yapımında nanoteknoloji
prosesleri uygulamışlardır.
1827
|
İlk fotoğraf (ışığa hassas nanopartiküllerin görüntülere
dönüşmesi).
|
1856
|
Michael Faraday ilk metalik (altın) kolloidleri
keşfetti/üretti.
|
1959
|
Feynman, atomik hassasiyete sahip moleküler sistemleri
tanımladı. “There's
Plenty of Room at the Bottom"
|
1974
|
Taniguchi, bir makalesinde, “nanoteknoloji” terimini
kullandı.
|
1977
|
Drexler, moleküler nanoteknoloji kavramını ileri sürdü.
|
1981
|
STM (Scanning Tunneling Microscope) icat edildi.
|
1985
|
Buckyball (küresel fullaren) keşfedildi.
|
1986
|
AFM (Atomic Force Microscope) keşfedildi.
|
1987
|
İlk protein mühendisliği açıldı.
|
1988
|
İlk üniversite dersi açıldı. Nano skalada foton emisyonu
ölçüldü.
|
1989
|
İlk ticari AFM (Atomik Fors Mikroskop) yapıldı.
|
1990
|
İlk nanoteknoloji journal yayımlandı.
|
1991
|
“Bottom up” çalışmaları başladı. Karbon nanotüp (CNT)
yapıldı.
|
1993
|
İlk Feynman ödülü verildi. Tek duvarlı karbon nanotüp
yapıldı.
|
1996
|
NASA nanoteknoloji çalışmalarına başladı. Oda sıcaklığında
atom manüplasyonu gerçekleştirildi.
|
1997
|
İlk şirket kuruldu (Zyvex). İlk nanorobotik sistem dizayn
edildi.
|
1998
|
İlk DNA-bazlı nanomekanik sistem yapıldı
|
1999
|
İlk nano-ilaç kitabı basıldı. İlk güvenlik kılavuzu çıkarıldı.
|
2000
|
“Nano-Nose” yapıldı.
|
2001
|
Tek molekül elde edildi. Bilgisayar devresi yapıldı.
|
2002
|
Molekül kaskadları yapıldı.
|
2003
|
3D Nanopartiküller yapıldı.
|
2006
|
Komple CNT integre devre yapıldı.
|
2007
|
"Airgap" Teknoloji. Nano skala MRI (Magnetic
Resonance Imaging). Impact Ionization Field Effect Nanowire Transistor.
Atomik anizotropi ölçüldü. Molecular Logic Switch. Nanoprinting.
|
2010
|
DNA-bazlı robotik sistemin başlangıcı.
|
2011
|
Nanoprosesörler için ilk programlanabilir nanotel devreler
yapıldı. Karmaşık bir yolda DNA moleküler robotların yürümeyi öğrenmesi.
Silikon bir yüzeyde silikon dimerlerin mekanik manüplasyonu.
|
~2020
|
İlk Moleküler
Assembler geliştirilmesi
|
~2040
|
İlk "zihin güncellemesi" (mümkün olabilirse.)
|
Nanomalzeme: Nanomalzeme, en az bir yönde nano skalaya
sahip olan yapısal ünitelerdir. Nanomalzemelerin üretiminde fiziksel ve
kimyasal (ıslak) metotlar kullanılabilir. Her iki metotta da top down
(kütleden-nanoboyuta-malzemeye) ve bottom-up (nanoboyuttan-malzemeye) yöntemler
uygulanabilir. Fiziksel ve kimyasal Nanomalzeme üretim metotları Şekil-5‘de
şematik olarak gösterilmiştir.
Nanomalzemelerin Tanımlanması: Nanomalzemelerin
karakterizasyonunda uygulanan çeşitli yöntemler vardır; yapısal, elektrik,
magnetik ve mekanik özellikleri Nanomalzemelerin tanımlanmasını sağlayan genel
metotlardır. Yapısal karakterizasyonla Nanomalzemenin morfolojisi (şekli ve
boyutu), atomların düzenlenmeleri (kristal yapı) ve malzemenin kompozisyonunun
tayiniyle ilişkilidir. Optik tanımlamalarda nanoyapının ışık emisyonu ve ışık absorbsiyon
özellikleri incelenir. Nanomalzemenin elektrik özellikleri elektrik iletkenliği
ve foto-iletkenlik gibi bazı özel testlerle saptanır. Magnetik özelliklerin
belirlenmesinde ise özel mikroskoplar ve kuantum interferens sistemlerden
yararlanılır (Şekil-6).
Nanomalzeme Tipleri: Nanomalzemeler genellikle dört
grup altında toplanabilir: Karbon bazlı malzemeler, metal bazlı malzemeler,
dendrimerler ve nanokompozitler (Şekil-7). Karbon
bazlı malzemeler çoğunluğu karbon karbon olan malzemelerdir; içi boş küreler,
elipsoidler, veya tüpler gibi. Küresel ve elipsoid formlar fullarenler,
silindirik formlar ise nanotüpler olarak tanımlanır. Metal bazlı malzemelere
tipik örnekler olarak kuantum dotlar, nanoaltın, nanogümüş ve nanooksitler
(titanyum oksit gibi) gösterilebilir. Dendrimerler, dallanmış ünitelerden
sentezlenen nanoboyutlu polimerlerdir. Bir dendrimerin yüzeyinde sayısız zincir
uçları bulunur; bunlarla özel kimyasal fonksiyonlar içeren yapılar (katalistler
de dahil) oluşturulabilir. Nanokompozitler nanotakviye malzemelerin
(nanopartiküller, nanotüpler, v.s. )
büyük, bulk malzemelerle (matrisler) uygun metotlarla bir araya getirilmesiyle
sentezlenen Nanomalzemelerdir.
Şekil-5: Nanomalzeme üretim metotları
Şekil-6: Nanomalzemeleri
tanımlama teknikleri
Şekil-7: Çeşitli Nanomalzeme
tipleri
Kompozitler (makro ve mikro), istenilen özelliklerin
sağlanabilmesi için çeşitli fazların (matris, dispers, arayüz gibi) uygun
düzeylerde bir araya getirildiği çok fazlı kombinasyonlardır. Matris sürekli
fazdır, gerilimi diğer fazlara transfer ede ve fazların çevresel etkilerden
korunmasını sağlar; polimer, metal, seramik olabilir. Dispers faz çeşitli şekil
ve formlardaki tanecikler, fiberler ve yapısal malzemelerdir; kompozitte
matrisin özelliklerini geliştiren fazdır. Arayüz bölge, kompozitin son
özelliklerini belirleyen elamanı olduğundan son derece önemlidir. Kompozitin
verimli olabilmesi için fazların biraraya gelip yüzey arasında bağlanmaları
gerekir.
Nanokompozitler, kompoziti oluşturan bir veya daha çok fazın
nano skala (<100 nm) boyutlarında olduğu bir malzemeler sınıfıdır. Nano
skala bir fazın ilavesindeki genel düşünce, çeşitli bileşenler arasında bir
sinerji yaratılarak malzemeden istenilen yüksek performans özelliklerine
ulaşabilmektir. Nanokompozitlerde kullanılan inorganik komponentler üç-boyutlu
yapılarda (zeolitler gibi), iki-boyutlu tabakalı malzemeler, bir-boyutlu ve
sıfır boyutlu malzemeler olabilir. Malzeme boyutlarının nanometre seviyelere
düşürülmesinin direkt etkilerinden biri, elektronların hareketinin sınırlandırılmasıyla
kuvantizasyon etkilerinin ortaya çıkmasıdır. Bu durumda yapının boyutlarına
bağlı olarak farklı enerji seviyeleri oluşur ve özellikleri bulk malzemeden
farklı yapay yapılar hazırlanabilir. Yapısal kompozisyonun ve boyutların
kontrol edilebilmesiyle, özel uygulamalara yönelik malzemelerin yapılması
mümkün olabilmektedir.
Partikül boyutlarının nanometre seviyeye ulaşmasıyla
kompozitteki arayüzde etkileşimler çok yükselir, dolayısıyla malzemenin
özellikleri fevkalade gelişir.
Takviye malzemenin yüzey alanı/hacim oranı nanokompozitin
yapı-özellik ilişkisini belirler. Partikül boyutu, nanokompozit sistemlerin
özelliklerinde önemli değişikliler sağlar; katalitik aktivite (<5 nm), sert magnetik
malzemeleri yumuşatma (<20 nm), refraktif indekste değişiklik (<50 nm),
elektromagnetik özelliklerde değişiklik (<100 nm), kuvvet ve dayanıklılık
artırma (<100 nm), sertlik ve plastiklikte modifikasyon (<100 nm) gibi
özellikler partikül boyutlarıyla gerçekleştirilebilir.
