Nanobilim geleceğin bilimi olarak algılanmasına rağmen,
gerçekte yaşamımızda ve doğal (organik ve mineral) dünyadaki tüm sistemlerin
temelidir. Her gün yüzlerce nanobilim örneği görürüz; yer çekimine karşı
tavanda yürüyen kertenkelelerden yanardöner renklerdeki kelebeklere kadar.
Doğada karmaşık sorunlara bulunmuş olağan üstü çözümlerle karşılaşılır. Yani,
bir anlamda doğal nanobilim nanoteknoloji için temel ve ilham kaynağıdır.
Doğal malzemeler nanobilimi anlamanın en basit yoludur.
Örneğin, mikroskop görüntüleri, makro objelerden başlayarak (bir bitki yaprağı
gibi), büyütülen görüntülerde daha ince ve daha da ince dokulara kadar
inildiğinde çok farklılaşır.
Her malzeme, prensipte nanosakalada tanımlanabilir. “Doğal
nanomalzemeler” doğal dünyanın (hayvanlar ve mineraller) malzemeleridir; el
yapımı değildir ve nanoyapı özünde olduğundan dikkat çekici özelliklere
sahiptir.
Bir substansın özellikleri ve kimliği molekül yapısına
bağlıdır. Biyolojik bir malzemenin nanoyapısı, onun supramoleküler
orgaizasyonundan kaynaklanır; böyle bir organizasyonda onlarca-yüzlerce molekül
şekil ve form olarak nanoskala seviyededir. Bu nanoyapılarla ışık, su ve diğer
malzemelerin etkileşimiyle makrosaklada etkileyici özelliklere sahip doğal
malzemeler elde edilebilir.
Günlük yaşamda, yer çekimine karşın tavanda yürüyebilen
kertenkeleden yanardöner renklerde kelebeklere, geceleri parlayan
ateşböcelerine kadar yüzlerce nanobilim örneğiyle karşılaşırız.
Bazı doğal nanomalzemeler aşağıda kısaca özetlenmiştir.
·
Doğal erozyon ve volkanik olaylardan oluşan
nanopartiküller.
·
Nanoyapılı killer gibi mineraller: Killer, ince
bir 2D kristal yapı olarak tanımlanan tabakalı bir silikat tipidir.
·
Süt ve kan (sıvı kollidler), sis (aerosol tip),
jelatin gibi doğal kolloidler: Bu malzemelerde nanopartiküller bulundukları
ortamda (sıvı veya gaz) dispers haldedir, çözelti şeklinde değildir. Doğal
kolloidlerde ışık saçılması olayı gözlenir ve renkleri (kan ve sütte olduğu
gibi) çoğu zaman içerdiği nanopartiküller tarafından ışığın saçılmasından ileri
gelir.
·
Kabuk (shell), mercan ve kemik gibi
mineralleşmiş doğal malzemeler: Kendiliğinden, diğer doğal malzemelerle
(olimerler gibi) kalsyum karbonat kristallerden oluşmuş üç boyutlu yapılardır.
·
Deri, pençe, gaga, tüy, bounuz, saç gibi
malzemeler: Bu malzemeler keratin, elestin ve kollajen gibi çok esnek
proteinlerden oluşur.
·
Kağıt ve pamuk, çoğunlukla selülozdur. Pamuğun
yüksek kuvvetti, dayanıklılığı ve absorbans özelliği fiberlerin nanoskalar
düzeninden ileri gelir.
·
Böcek kanatları ve opaller: Opallerde ve
kelebeklerde görülen renkler doğrudan oların ince yapılarıyla ilişkilidir.
·
Örümcek ipeği: İpek, bilinen en kuvvetli
malzemedir; aynı ağırlıtaki çeliken beş kat daha kuvvetlidir. Örümcek ipeğinin
fevkalade özelliği proteinlerin nanoskala seviyede organizasyonundan dolayıdır.
·
Lotus yaprağı ve latin çiçeği: Bu bitkilerin
yapraklarının nanoyapısı onlara olağanüstü yüzey özellikleri ve
“kendini-temizleme” yeteneği kazandırır.
·
Kertenkele ayağı, fonksiyon ve nanoyapı
arasındaki ilişkinin şaşırtıcı ve hayret verici bir örneğidir.
Doğal malzemeler, sadece biyolojik malzemelerin hayret
verici özelliklerini anlamada değil, gelişmiş özellikler içeren yeni
malzemelerin dizaynı ve mühendisliği konularında da ilham vericidir. Pek çok
biyolojik malzemenin dikkat çekici özellikleri, kompleks ve genellikle de
hiyerarşik yapılarından kaynaklanır; son derece uyumlu ve çok
fonksiyonludurlar. Bunlar, gelişmiş yapay pek çok malzemenin (güneş piller,
yakıt pilleri, tekstil, ilaç taşıyıcı sistemler, v.s.) dizaynında köklü birer
model oluştururlar. Doğadaki ilham kaynağı bazı basit yasalara dayanır: Doğa
güneş ışığıyla vardır; sadece ihtiyacı olduğu kadar enerji kullanır; doğal
nanomalzemeler yüksek seviyede enerji verimlidir. Doğada her şey
‘geri-dönüşümlüdür, atık ürünler minimumdur. Doğa, çeşitliliği ve lokal
uzmanlığı korumasına rağmen işbirliğine yatkındır.
Doğadan Ders Almak (Biyomimetikler)
“Nanoteknoloji”
oldukça yeni bir sözcüktür, ancak tümüyle yeni bir alan değildir. Yeryüzünde
yaşamın varoluşundan (3.8 milyar yıl öncesinden) başlayarak doğada
makroskaladan nanoskalaya pek çok malzeme, obje (şey, nesne) ve proses
oluşmuştur. Bu objeler ve prosesler, fonksiyonlarını anlayıp benzer ortamların
yaratılmasıyla nanomalzemeler ve özel proseslerin geliştirilmesinde kılavuz olmuştur.
Biyolojik olarak yaratıcı dizayn, adaptasyon veya doğadan türetme “biyomimetik”,
yani “biyotaklit” olarak tanımlanmıştır (1957 Otto Schmitt).
Bakteriler,
bitkiler, kara ve suda yaşayan hayvanlar, deniz kabukluları ve örümcek ağları
gibi ticari önemi yüksek çok sayıda obje vardır. Şekil-1’de doğadaki bazı objeler
ve bunların bazı fonksiyonları, Şekil-2’de çeşitli teknolojik gelişimlere ilham
kaynağı olan bazı doğal örnekler verilmiştir.
Malzeme
mühendisliğinde “biyomimetikler” olarak adlandırılan yapay taklit (mimik)
malzemelerin üretimi üzerinde çalışılmaktadır. Biyomimetiklerin temel elemanı
nanobilimdir. Biyomimetikler, kompleks yaşamsal sorunları çözebilmek amacıyla
doğal modellerin, sistemlerin ve elementlerin imitasyonudur; yani yapay olarak
hazırlanmış, taklitlerdir. Tipik bazı biyomimetik malzemeler ve taklit edilen
kaynaklar Tablo’da verilmiştir.
Şekil-1: Doğadan bazı objeler ve seçilmiş bazı fonksiyonları
Şekil-2: Doğadan bazı örnekler; (a) lotus etkisi, (b) etobur
bitkinin bezesi, (c) su böceği- uzun bacakları ile su üzerinde yürüyen böcek-,
(d) geko-bir tür kertenkele, BR – dal, SP – spatula – (e) köpek balığının pul
yapısı-sürüklemeyi azaltır-, (f) kuş kanadı, (g) örümcek ağı-ipek-, (h) güve
gözleri-yansıtmama özelliği
Tablo: Bazı Biyomimetik Malzemeler
ve
Taklit Edilen Kaynaklar
Taklit Edilen Kaynaklar
Biyomimetik Malzeme
|
Taklit edilen Kaynak
|
Polimerler
|
Sedef altyapısı
|
Yapısal elementler
|
Odun, bağ dokular ve kemik
|
Elektrik iletimi
|
Yılan balığı ve sinir sistemi
|
Fotoemisyon
|
Derin-deniz balığı ve ateş-böcekleri
|
Fotonik kristaller
|
Kelebek ve kuş kanatları
|
Hidrofobik yüzeyler
|
Lotus yaprakları ve insan derisi
|
Adhesivler
|
Kertenkele ayakları
|
Yüksek gerilme kuvvetli fiber
|
Örümcek ipeği
|
Yapay zeka ve hesaplama
|
İnsan beyni
|
