Prof. Dr. Bilsen Beşergil: * NANOTEKNOLOJİ

ÖNSÖZ

İÇERİK

1. GİRİŞ

1.1. GENEL BAKIŞ

1.1.2. Nanoteknoloji Uygulamada Beş Jenerasyon

2. DOĞADAKİ NANOBİLİM

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.

2.1. NANOMALZEME NEDİR?

Doğadan Ders Almak (Biyomimetikler)

2.2. BAZI DOĞAL NANOMALZEMELERİN TANIMLANMASI

Kemik, Lotus Yaprağı, Gecko (Geko, bir tür kertenkele), Morpho Rhetenor

3. PARTİKÜL FİZİĞİ VE PARTİKÜL FİZİĞİ ZAMAN ÇİZELGESİ

3.1. PARTİKÜL FİZİĞİ

Partikül fiziği (ve yüksek enerji fiziği), madde (kütleli partiküller) ve radyasyon (kütlesiz partiküller) özelliklerini birarada kapsayan partiküllerin doğasını inceleyen fizik dalıdır. “Partikül” sözcüğü çeşitli çok küçük objeleri tanımlarsa da (fotonlar, gaz partikülleri, hatta ev tozları), “partikül fiziği” bunları açıklamak için genellikle, indirgenemez en küçük saptanabilir partiküller ve gerekli indirgenemez temel kuvvet alanlarını inceler.

Enerji-Band Teorisi, Enerji Dağılım Fonksiyonu

3.1.1. Kuasipartiküller

Dropleton, Elektron boşluğu (hole), Eksiton, Leviton, Magnon, Orbiton, Fason, Fonon, Plasmaron, Plasmon, Plasmon Rezonans, Polaron, Polariton, Trion

3.1.2. Atomaltı Partiküller

Alan Kuanta, Alanların Tanımı

3.1.3. Standart Model

Fermiyonlar, Bozonlar

3.1.4. Sınıflandırma

Kompozisyona Göre Sınıflandırma, Kütleye Göre Sınıflandırma, Bose-Einstein Kondensat

3.2. FEYNMAN Diyagramları

Dört Temel Kuvvet, Beşinci Kuvvet? Higgs Bozonu (H)

3.3. PARTİKÜL FİZİĞİ ZAMAN ÇİZELGESİ

4. TEMEL ‘NANO ETKİLER’

4.1. NANOSKALADA FİZİK

4.1.1. Klasik Fiziğin Eksikliklerine Çözümler

Planck Hipotezi, Dalga-Partikül İkiliği, Heisenberg Belirsizlik Prensibi, Kuantum Tünelleme, Kuantum Statistikleri, Kuantum Bilgisayar, Kuantum Korral

4.1.2. Kuantum Fiziği

Fotoelektrik Etki; Siyah Cisim Işıması, Compton Saçılması

4.1.3. Bohr Teorisi

Klasik elektron yörüngesinin enerjisini açısal momentumun nicelleştirilmesiyle birleştiren Bohr yaklaşımı, elektron yörünge yarıçapları ve enerjileri için yaklaşımlar verir:

Kuantum Sayıları, Hidrojen Atomu, Aufbau Kuralları

4.1.4. Dalga Fonksiyonu

Her ‘partikül’ bir dalga fonksiyonu Y (konum, zaman) ile tanımlanır; örneğin, Y^*Y = partikülün bir zamanda bir konumda bulunma olasılığıdır.

Schrodinger Eşitliği, Partiküller

4.1.5. Bir Kutuda Partiküller

Bir-Boyutlu Kutuda Partikül, İki-Boyutlu Kutuda Partikül, Üç-Boyutlu Kutuda Partikül

4.1.6. Durum Yoğunluğu

4.1.7. Atomik Yapı ve Periyodik Tablo

Kuanta, Dünyanın Yeni Yüzü, Işık, Partiküller ve Dalgalar, Bohr Atom, Kuantum Atom, Atomik Elektron Konfigürasyonları, Elementlerin Periyodik Özellikleri

4.2. NANOSKALADA KİMYA

Nanomalzeme bazan bir atomlar demeti (cluster), çoğunlukla da bir moleküller demeti olarak şekillenir. Dolayısıyla kimyada önemli olan tüm bağlanma tipleri nanobilimde de önemlidir; bunlar genellikle molekül içi bağlanmalar ve moleküller arası bağlanmalar olarak sınıflandırılır.

Kuantum Kimyası

4.2.1. Moleküliçi (intramoleküler) Bağlanma (Kimyasal Etkileşim)

Bu bağlanmalar molekülün kimyasal yapısının değişmesiyle ilgilidir; iyonik, kovalent ve metalik bağlardır. Moleküliçi etkileşim kuvveti moleküldeki iki atomun elektronegatiflik derecesine göre değişir. İntramoleküler çekim kuvvetleri türleri:

İyonik bağ, Kovalent bağ, Metalik bağlanma

4.2.2. Moleküller Arası Bağlanma (Fiziksel Etkileşim)

Dipol-dipol etkileşimleri, İyon-Dipol Etkileşim, Hidrojen Bağı, London Dağılma Kuvvetleri

4.2.3. İlgili Makaleler

Dispersite, Dispersiyon Etkileşim, van der Waals Etkileşimi, Aktif Katalitik Faz, Aktif Site

4.3. KOLLOİD KİMYASI

Kolloid Kimyası, Kolloidal Sistemin Kararlılığı, Kolloidal Çözelti, Kolloid Çözeltilerden Çöktürme, Kolloidal Dispersion, Kolloidal Kristal, Misel, Ters Misel, Kritik Misel Konsantrasyonu, Koagülasyon

4.4. BİYOKİMYA, BİYOYEKNOLOJİ

Biyoparçalanabilir Polimerler, Membran, Biyolojik Membran, Yüzey-Destekli Membran, İz-Oyulmuş Membran, İlaç Taşıyıcı

Biyosensör

Hücre, Hücre Terapi, DNA Prob, Moleküler Tanıma, Multipleks Deneme, Nanoelektromekanik-Sistemler (NEMS), Oligopeptid, Proteomikler

Biyomühendislik

Biyoçip, Biyouyumluluk, Biyouyumlu Nanoseramikler, Biyomedikal Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS), Biyomoleküler Elektronikler

Gen Mühendisliği

Antisens Terapi, Biyolojik Motorlar, Deoksribonükleik Asit, Gen Taşıma, Gen Terapi, Genom, Nanomalzeme Bazlı Vektörler, Oligonükleotid, Plasmid, Polinükleotid, Ribonükleik Asit, RNA Girişim

4.4.2. Nanobiyoteknoloji

Antikor, Bakteriyal S-Tabakalar, Bacteriyoklorofil, Bakteriyofaj, Kanal, Lab-on-a-chip, Biyofonksiyonalize Nanomalzemeler, Nanoobje, Biyolojik Nanoobjeler, Virüs, Kapsid, Magnetik Rezonans Görüntüleme

4.5. YÜZEY FİZİKOKİMYASI

4.5.1. Yüzey, Fizikokimyasal Kavramlar

Yüzey, iki faz (katı-katı, sıvı, gaz) arasındaki sınırdır. Katı bir cismin yüzeyindeki interatomik kuvvetlerin doğası, kütle (bulk) halindekinden farklıdır. Sonuç olarak, atomik yeniden yapılanrma sırasında oluşan üst atomik tabakanın denge halindeki yapısı, bir kural olarak, kütledeki (bulk) atomik düzlemlerin karşılık gelen yapılarından farklı olur. Bu, özellikle, yüzeye özgü benzersiz özelliklerin ortaya çıkmasına (örneğin, elektronik yüzey durumlarına) yol açar. İki temel atomik yüzey rekonstrüksiyon vardır yüzey rekonstrüksiyon, yüzey relaksasyon.

Yüzey Aktif Madde (Ampifilik), Yüzey Aktif Madde (Amfolitik), Yüzey Aktif Madde (İnce Film Teknolojide), Absorpsiyon, Absorpsiyon Kenarı, Adsorpsiyon, Adsorpsiyon İzotermi, Desorpsiyon, Sorpsiyon, Adezyon, DAS Model, Ehrlich–Schwoebel Bariyer, İmmobilizasyon, İyon İmplantasyon, Island, Island Kabalaşması, Island Kritik Boyutu, Island Şekil; 2D, Taşıyıcı, Spesifik Yüzey

4.5.2. Yüzey Özellikleri

Yüzey Alanı, Yüzey Difüzyonu, Yüzey Durumları, Yüzey Rekonstrüksiyon, Yüzey Relaksasyon, Yüzey Elektrogöç, Yüzey Süperyapı, Yüzey Enerjisi

4.5.3. Yüzey Özelliklerinin Çok Önemli Olduğu Reaksiyonlar

4.5.4. Morfoloji

Morfoloji. şekil ve yapıyla ilgili çalışmalardır. Nanoteknoloji alanına uygulanabilir; işlevlerine veya malzemesine ve üretim yöntemine (jenerasyona) bağlı olarak geliştirilen bir objenin veya sistemin yapısının aydınlatılmasına yöneliktir.

Mikromorfoloji, Nanoyapıların Morfolojisi

4.6. ELEKTRİKSEL, OPTİK, MAGNETİK, MEKANİK ÖZELLİKLER

4.6.1. Elektriksel Özellikler

1. Kuantum Sınırlama ve Malzemenin Elektriksel Özelliklerine Etkisi

2. Nanoelektronik

3. Nanoakışkanlar

Nanoakışkan, yapıları nanometre boyutlarda (1–100 nm) olan akışkanların davranışı, manipülasyonu ve kontrolü üzerine yapılan çalışmadır. Bu yapılardaki akışkanlar, daha büyük yapılarda (örneğin mikrometre boyutlarda) gözlemlenmeyen fiziksel davranışlar sergilerler; çünkü akışkanın karakteristik fiziksel ölçekleme uzunlukları (Debye uzunluğu, hidrodinamik yarıçap gibi) birbirine yakındır.

Brownian Hareketi, Diffüzyon

4. Üstün Elektrik Özellikli Nanomalzemeler

Dielektrik, Piroelektrik, Piezoelektrik Etki, Piezoelektrik Malzemeler, Elektrik İletken, Elektrik Çift Tabaka, Ferroelektrik Malzeme

4.6.2. Optik Özellikler

Bazı nanomalzemeler, kütle (bulk) malzemelere göre renk ve şeffaflık gibi çok farklı optik özellikler sergiler.

1. Işığın Madde ile Etkileşimi

2. Nanopartiküller ve Nanoyapıların Renk Jenerasyonları

3. Nanooptikler

Nanofotonik, Fotonik, Fotonik Kristal, Fotonik Kristal Heteroyapı, Fotonik Kristal; Plaka, Fotonik İntegre Devre

4. Temel Etkenler

Koherent Saçılma Bölgesi, Işık Saçılması, Işık Saçılması; Dinamik, Işık Saçılması; Elastik, Optik Aberasyon, Optik Fiber, Fotonik Kristal Fiber, Optik Rejeneratör, Optik Transmitter, Optik Dalga Kılavuzu

4.6.3. Magnetik Davranışlar

1. Süperparamagnetizma

2. Magnetik Akışkan

3. Magnetodirenç, Magnetodirenç; Colossal, Magnetodirenç; Dev, Magnetodirenç;Tünel, Magnetozom

4.6.4. Mekanik Özellikler;

Mevcut Malzemelerin Geliştirilmesi, Mekanokimyasal İşlemleme, Mikroelektromekanik Sistemler

5. NANOMALZEMELERE GENEL BAKIŞ

Nanomalzeme, Nanomalzemelerin Sınıflandırılması

5.1. BİYOMİMETİK NANOMALZEMELER

Biyomimetik, Biyomimetik Nanomalzemeler

5.1.1. Gecko-Yaratılı Yapıştırıcılar (Biyokauçuk)

5.1.2. Kendiliğinden-Yapışan Yapıştırıcılar

5.1.3. Biyomimetik Membranlar, Kapsüller ve Biyoreaktörler

Bilipid membran onlarca yıldır biyomimetik bir model oluşturmuştur. Basit bir örnek, suda yağın kuvvetli bir şekilde çalkalanmasıyla kolayca oluşabilen lipozomdur (lipid veziküller). Düzlem destekli bitabakalar da, uygun bir substratın organik bir sulu faz içine daldırılmasıyla, lipid membranlar tarafından oluşturulur.

Lipozom, Lipid, Çift Tabaka (bilayer), Nanokapsül, Nanoenkapsülasyon, Biyomimetik Enerji Nanomalzemeler, Yapay Fotosentez

5.2. SIVI KRİSTALLER

5.3. NANOYAPILI MALZEME

Nanoyapı, Nanoyapılı, Kendiliğinden Düzenli Nanoyapılar

5.4. NANOPORÖZ MALZEME

5.4.1. Poröz Malzeme

Porözite, Porlar, Nanogözenekler, Pormetri, Boyut (Gözenek, Partikül) Dağılımı

5.4.2. Moleküler Elekler, Moleküler Elek Etkisi

5.4.3. Aerojel

5.5. POLİMERLER

Polimerizasyon, Polimerizasyon Derecesi, Polimer Degradasyon, Polimer Jellerin Çökmesi, Polimerlerde Çatlama, Makromolekül, Makromolekülün Konfigürasyonu, Oligomer, Termoplastikler-Termoset Plastikler, Elastomerler, İletken Polimerler, Kopolimer, Blok Kopolimer, Homopolimer, Prepreg, Nanoreaktör

5.6. YARIİLETKENLER

Yarıiletken, Yarıiletken Heteroyapı, Yarıiletken Lazer

5.7. SERAMİK VE CAMSI MALZEMELER

Nanoseramik, Nanoseramiklerin Sinterlenmesi, Zeolitler, Aerojeller

5.8. KARBON BAZLI MALZEMELER

Karbon, Karbon Nanomalzemeler

5.8.1. Karbon Nanotüp

Karbon Nanotüplerin Özellikleri, Karbon Nanotüplerin Üretim Metotları

5.8.2 Fulleren, Fullerid, Fullerit

Fulleren, Fulleren, Endohedral, Fullerid, Fullerit

5.8.3. Karbon Fiber Takviyeli Plastikler

5.9. KOMPOZİTLER

5.9.1. Kompozit Tanımları

Nanokompozit, Nanokompozitlerin Sınıflandırılması, Akıllı Kompozitler, Mühendislik Kompozitleri, Polimer Matris Kompozitler, Polimer Matris Nanokompozitler, Metal Matris Kompozitler, Metal Matris Nanokompozitler, Seramik Matris Kompozitler, Seramik Matris Nanokompozitler, Karbon-Karbon Kompozitler, Tabakalı Kompozitler, Fonksiyonel Kompozitler, Fonksiyonel Nanokompozitler, Oksit/Oksit Kompozitler, Biyokompozitler, Hibrid Kompozit, Hibrid Etkisi

5.9.2. Matris

Ekstraselüler Matris, Matris İzolasyon

5.9.3. Takviye Malzemeler

Fiberler, Fiberlerin Mekanik Özellikleri, Doğal Fiberler, Boron Fiberler, Nanofiber, Karbon Fiberler, Karbon Nanofiberler, Oksit Fiberler, Polimer Fiberler, Silisyum Karbür Fiberler

5.9.4. Arayüz

Nanodolgu

5.10. NANOKAPLAMALAR

5.10.1. Fiziksel Buhar Depozisyon

5.10.2. Biyouyumlu Kaplama

5.10.3. Triboloji, Nanotriboloji

5.11. İLETKEN MALZEMELER

5.11.1. İletkenler

Abrikosov Vorteks

5.11.2. Yarıiletkenler

Yarıiletken, elektrik iletkenliği (iyonik iletkenliğe karşıt olarak) bir iletken ile yalıtkan arasında, orta büyüklükte olan bir malzemedir. Bir yarıiletken, iletkenliğin kirlilik konsantrasyonu, sıcaklık ve çeşitli radyasyon türlerine kuvvetli bağımlılığı nedeniyle bir iletkenden farklıdır.. Yarıiletkenler, bir enerji bandı boşluğuna (genellikle birkaç elektron volt) sahip olan malzemelerdir.

Anotlama, Schottky Bariyer, Transistör (Tek-Elektron Transistör), Alan Etki Transistör, Bipolar Bağlantılı Transistör

5.11.3. Süperiletkenler

Süperiletkenlik, Josephson Bağlantısı

5.12. PARTİKÜLLER

Bulk Nanopartiküller, Nanopartikül, Grain, Grain Boyut Dağılımı, Grain Sınırı, Janus Partiküller, Terapötik Amaçlı Nanopartiküller, Terapötik Amaçlı Magnetik Nanopartiküller, Multifonksiyonal Nanopartiküller (tıpta), Partikül Boyut Analizi, Partikül Boyut Etkisi, Partikül Hızlandırıcılar, Aglomerasyon

5.13. KÜMELER, TELLER, İNCE FİLMLER

Cluster, Sihirli Clusterler, Nanokümeler, Nanotel, Nanotel-Grid Polarizer, İnce Filmler, Tabaka-Tabaka, İnce Film Büyüme Modları

5.14. NANOTOZ

Nanotoz, Nanotoz Partikülü, Nanotozun Buhar Kondensasyonla Gaz Faz Sentezi, İndüksiyon Plazmayla Nanotoz Sentezi, Metalik Nanotozların Metal Bileşiklerin İndirgenmesiyle Üretimi, Metal Nanotozların Mikrodalga Plazma Üretimi, Nanotozların Pirolitik Sentezi, Nanotozların Sıkıştırılması, Nanotozların Ultrason Basınçlandırması, Aerosol Sprey Piroliz, Kriyoöğütme

5.15. TİPİK MALZEMELER

Akıllı Malzemeler, Dispersiyon-Kuvvetlendirilmiş Malzemeler, Fonksiyonel Gradient Malzemeler, Metamalzeme, Hibrid Malzemeler, Nanomalzeme Üretim Teknikleri, Nanomalzemelerin Yeniden Kristalizasyonu

5.16. DİĞER NANOMALZEMELER

Nanoçubuk, Nanoelmas, Nanokristal, Nanomürekkep, Nanoonion, Nanotabaka, Nanotüp, İnorganik Nanotüpler, Nanowhisker

6. 'NANO'YU GÖRMEK

6.1. GENEL BAKIŞ

Elektromagnetik Spektrum, Nanometroloji, Küçük Açı Nötron Saçılması, Asferik Mercek, Fresnel Mercek, Fresnel Zone Plaka

6.2. MİKROSKOPİ

6.2.1. Optik Mikroskopi

Geleneksel Optik Mikroskop, Fluoresans Mikroskopi, Toplam İç Yansıtmalı Fluoresans Mikroskopi, İki-foton Mikroskopi, Konfokal Mikroskopi, Fluoresans Nanoskopi, Taramalı Yakın Alan Optik Mikroskopi (SNOM)

6.2.2. Elektron Mikroskopi

Taramalı Elektron Mikroskopi (SEM), Transmisyon Elektron Mikroskopi (TEM), Düşük Enerji Elektron Mikroskopi (LEEM), Refleksiyon Elektron Mikroskopi (REM), Elektron Mikroskopi Tomografi (3D TEM; ET)

6.2.3. Prob Mikroskopi

Prob, Cantilever, Prob Mikroskopi (SPM), Taramalı Tünelleme Mikroskopi (STM), Taramalı Tünelleme Mikroskopi Operasyon Modları, Atomik kuvvet mikroskopi (AFM)

6.2.4. Nokta-Projeksiyon Mikroskoplar

Alan Emisyon Mikroskop (FEM), Alan İyon Mikroskobu (FIM), Atomik Prob

6.3. SPEKTROSKOPİ

6.3.1. Enerji Transferi: Absorpsiyon

Mössbauer Spektroskopi, Mössbauer Etkisi, X-Işını Absorpsiyon İnce Yapı, X-Işınlarının Absorpsiyonu, UV/Görünür Spektroskopi, Atomik Absorpsiyon Spektroskopi, İnfrared Spektroskopi (IR), Raman Saçılma Spektroskopisi, Raman Saçılması, Mikrodalga Spektroskopi, Elektron Spin/Elektron Paramagnetik Rezonanas, Nükleer Magnetik Rezonans Spektroskopi, Nükleer Magnetik Rezonans, Kütle Spektrometri, Kütle Spektrometri; İkincil İyonizasyon, Kütle Spektrometresi

6.3.2. Enerji Transferi: Emisyon

Atomik Emisyon Spektroskopi, X-Işınlarının Emisyonu, Auger Elektron Spektroskopi

6.3.3. Enerji Transferi: Fotolüminesans

X-Işını Fluoresans (XRF), Atomik Flüoresans Spektroskopi

6.4. DİFRAKSİYON

6.4.1. Elektron Difraksiyon

Elektron difraksiyon katı hal fiziğinde ve katıların kristal yapı kimyasında çok kullanılan araştırma yöntemleridir. Kristalin malzemelerin yapısı bir difraksiyon grating gibi davranır, elektronları saçar; gözlenen difraksiyon paterninden kristalin yapısı hakkında bilgi edinilir.

Elektron difraksiyon çok çeşitlidir ve dolayısıyla da uygulama alanı çok geniştir. Burada yüzey analizleriyle yakından ilişkili olan iki yöntem kısaca ele alınmıştır: Düşük enerji elektron difraksiyon (LEED) ve refleksiyon yüksek enerji elektron difraksiyon (RHEED)

Düşük-Enerji Elektron Difraksiyon (LEED), Refleksiyon Yüksek-Enerji Elektron Difraksiyon (RHEED)

6.4.2. X-Işını Difraksiyon (XRD)

6.5. KROMATOGRAFİ

Kromatografi, Yüksek Performans Sıvı Kromatografi

7. FABRİKASYON METOTLARI

7.1. TOP-DOWN NANOTEKNOLOJİ

7.1.1. Bilyalı Değirmen

Bilyalı Öğütme; Yüksek Enerji

7.1.2. Litografi

Litografide Oyma, Maske

1. Optik Litografi (Fotolitografi)

2. Ultraviyole Litografi