Bir sistemin boyutları değiştiğinde fiziksel özelliklerinin
nasıl değiştiğini tanımlamada ‘ölçekleme kanunları’ kullanılır. Ölçekleme
kanunları fiziğin temeli olup modern bilimin ilk aşamalarından beri
geçerliliğini korurmaktadır. Galileo 1638’de yayımlanan kitabında (Dialogues
Concerning Two New Sciences) bazı önemli ölçekleme sonuçları vermiştir: Bir
objenin ölçeği büyütüldüğünde, alanı karesiyle hacmi ise küpüyle orantılı
olarak artar; alan ve hacim arasındaki oran boyut nedeniyle değiştiğinden
objenin özellikleri de boyutun değişmesiyle değişir.
Örneğin, bir kenarı L uzunluğunda olan bir küp
büyütüldüğünde, V = hacim, A = alan, D = yoğunluk, g = yerçekimi ivmesini
gösterdiğinde, s = küp tabanındaki gerilim,
V = L3 A = L2 s
= g D L
Bu eşitlik, aynı malzeme kullanıldığında sabit bir
gravitasyonal alan içinde küpün tabanındaki yapısal gerilimin, objenin
yüksekliğindeki değişiklikle doğru orantılı olduğunu gösterir.
Çok çok küçük malzemelere inildikçe fizik kanunlarında ölçekleme özelliğinin önemi atar.
Nanoskalada kütle ve ısı kapasitesi önemsiz duruma gelirken, örneğin yüzey kuvvetlerinin alanla ölçeklenmesi dominant konuma yükselir.
Bir substansın (spesifik bileşim ve spesifik özelliklere
sahip madde, her saf element, her saf bileşik) makroskobik fiziksel
özellikleri, bunun saf bir örneğinin incelenmesiyle tayin edilir; örnek
miktarı, normal laboratuvar koşullarında ölçüm yapılabilecek büyüklüktedir.
Herhangi bir maddenin bir mollünde 6.022 x 1023 molekül bulunur.
Örneğin bir mol su 18 gramdır, milyarlarca ve milyarlarca molekül içerir. Suyun
tayin edilen kaynama noktası tüm moleküllerinin ortalama bir değeridir ve su
molekülleri için doğrudur. Ancak böyle bir gerçeklik pek çok malzeme için geçersizdir,
doğru değildir. Bir malzeme boyutu küçüldükçe ve nanoskala seviyelere inildikçe
tamamiyle farklı özellikler gösterebilir; farklı ergime noktası, farklı iletkenlik,
v.s. gibi. Bunun nedeni nanoskalada Newtonian fiziğinin artık geçerli olmaması,
yerini kuantum mekaniğinin almasıdır.
Nanobilime çoğu zaman ‘küçüklüklerin bilimi’de denir.
Küçük nedir? Nanoboyut nedir? Nanoboyutlu malzemelerin özellikleri neden
geleneksel malzemelerden farklıdır? Cevaplarını arayacağımız bu ve benzeri
soruların açıklaması, burada sadece bazı temel yönlerine değinilecek olan
kuantum fiziğindedir. Burada bu etkilerin arkasındaki kuantum fiziği
teorilerden değil, malzeme özelliklerine etkiyen ve değiştiren içeriklerine
odaklanılmıştır.
Nanoskaladaki malzemeler tek atomlar olmayıp, az
sayıda atom kümeleri (cluster) ve moleküllerdir; örneğin, 3.5 altın atomu veya
sekiz hidrojen atomu sıraya dizildiğinde 1 nanometre uzunluktadır. Bir glukoz
molekülü ~1 nm boyutundadır.
Nanomalzemeler, karşılaştığımız diğer ‘küçük’ objelerle
kıyaslandığında ‘farklı küçüklükler’olarak ifade edilebilir. Nanomalzemeler
elektronlar ve tek atomlar kadar, bir hücre veya bakteri kadar küçük değildir.
Nanoyapılar el-yapımı en küçük objelerin (son jenerasyon transistörler) ve en
büyük yaşam moleküllerinin (DNA ve proteinler gibi) kesişme noktasındadır
denilebilir. Nanomalzemeler boyut olarak, izole atomlar ve moleküller ve bulk
malzemeler arasında ‘aracı’dır. Bu skalada made olağanüstü özellikler gösterir.
Nanomalzemeler iki ilginç olasılık sunar:
·
Nanomalzemler mevcut malzemelerin geliştirlmesinde
veya nadir özelliklere sahip yenilerinin oluşturulmasında kullanılabilir
·
Nanomalzemelerin büyüklüğü doğadaki en büyük
moleküllerin seviyesinde olduğundan, onları bir sistemde birleştirmek ve aktif olarak
etkileştirmek mümkündür
