Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Nanobilim ve Nanoteknoloji (nanoscience and nanotechnology)

Nanoteknoloji ne zaman keşfedildi? Nanoteknoloji, diğer malzeme mühendisliği disiplinlerin (örneğin ince-film teknolojisi gibi) açılımı, evrimidir. Nanoteknoloji terimi, tarihi kökleri çok eskiye dayanan disiplinleri kapsayan gerçek bir ‘şemsiye’ terimdir.

‘Nanobilim’ atomik, moleküler ve makromoleküler skalalardaki malzemelerin manüplasyonu ve olguların incelenmesidir. Atomik ve moleküler skalada malzemelerin (en az bir boyutu <100 nm) proseslerini inceleyen bilimdir; nanobilim fizik, malzeme bilimi, kompleks moleküller kimyası ve ilgili diğer dalların yer aldığı disiplinler-arası bir alandır. Nanobilimin amacı bu tip malzemelerin özel fiziksel ve kimyasal özelliklerini anlamak ve üretim, kullanım ve kontrol metodolojilerini tanımlamaktır.

Bulk (kütle) malzemeler (çevremizde gördüğümüz) makroskobik (veya sürekli) fiziksel özellikler gösterir. Mikron boyutlu malzemeler (kum tanecikleri gibi) için de durum aynıdır. Fakat, partiküller nano boyutlara indiğinde davranışlarının (hareket, enerji, v.s.) açıklanmasında klasik fizik prensipleri yetersiz kalır; bu boyutlarda kuantum mekaniği ilkeleri geçerli olur. Aynı bir maddenin (örneğin altın) nanoskaladaki özellikleri (ör. optik, mekanik ve elektrik), makroskaladaki (bulk) özelliklerinden çok farklı, hatta tamamen tersi olabilir. Nanoteknoloji Nasıl Tanımlanabilir?

· Nanoteknoloji, birebir, gerçek yaşamda varolan, nanoskala (atomik/moleküler) boyutlardaki teknolojilerdir.

· Nanoteknoloji genel olarak, en az bir boyutu 100 nm ve daha küçük olan yapıların incelenmesi ve bu boyutlarda malzeme veya cihazların geliştirilmesiyle ilgilenir

· Nanoteknoloji, küçük boyutlardaki yapıların fevkalade özelliklerini kullanılabilir hale getirebilmek için geliştirilmiş yöntemlerle nanoskalada yapılardan çeşitli malzemeler, aletler ve makinelerin yapımına olanak veren teknolojilerdir.

· Nanoteknoloji, fiziksel, kimyasal ve biyolojik sistemlerin atomik ve moleküler seviyelerden mikron altı boyutlara kadar inen skalalarda üretimini, uygulamalarını ve nanoyapıların daha büyük sistemlere integrasyonunu kapsayan teknolojilerdir.

· Nanoteknoloji, 21. yüzyılın başlarında, yarıiletken teknoloji, informasyon teknoloji veya hücresel ve moleküler biyolojiyle kıyaslanabilir derecede ekonomik ve sosyal yaşamda da derin izler açmaya başlamıştır.

· Nanoteknoloji ile ilgili bilimsel ve teknolojik araştırmalar, malzeme ve üretimleri, nanoelektronikler, tıp ve sağlık, biyoteknoloji, informasyon, milli güvenlik gibi alanlarda geniş ufuklar vaat etmektedir.

· Nanoteknoloji geleceğin “Endüstriyel Devrim”i olacaktır.

Nanoteknoloji mi, Nanoteknolojiler mi?

Terim 1959 yılında ilk defa kullanılmaya başlandığında tekildi. Ancak birkaç yıl sonra bilim ve teknolojik gelişmeler, güvenlik, etik ve sosyal alanlarda uygulamalara yönelik çalışmalar nanoteknolojinin tek bir teknoloji olamayacağını, nanosaklada pek çok malzeme veya maddenin yer alabildiği genel bir teknolojiler kavramı olması gerektiğini gösterdi.

Nanometre Skala

Nanometre skala genellikle 1-100 nm arası olarak tanımlanır. 1 nm = 10^-9 metredir. Tek bir atom veya çok küçük atom gruplarını nano-obje olarak adlandırılması için minimum skala değeri 1 nm kabul edilir. Buna göre nanobilim ve nanoteknoloji en az bir boyutu 1 nanometre olan atom clusterlerdir (cluster, boyutları 0.1 nm’den birkaç nm’ye kadar değişebilen çöktürülmüş atomlar veya moleküllerdir) Şekil-1.

Şekil-1: 3.5 altın atomunun 1 nm skalaya yerleştirilmiş görüntüsü
(her birinin kovalent çapı ~0.144 nm)

Nanomalzeme Nedir?

Nanomalzeme: En az bir boyutu nanometre skalasında (~1-100 nm) olan bir objedir (Tablo). Nanomalzemeler iki tip olabilir:

· ‘İstemsiz-yapılan’ nanomalzemeler; bunlar, çevrede doğal olarak bulunan (ör. proteinler, virüsler, volkanik püskürmelerden oluşan nanopartiküller) veya araçlardan çıkan istenmeyen yakıt yanma kalıntısı partiküllerdir.

· ‘istemli-yapılan’ nanomalzemeler, tanımlanan fabrikasyon prosesleri için özel olarak hazırlanan nanomalzemelerdir.

Tablo: Nanomalzemelerin Sınıflandırılması
(Boyutlarına Göre)

Şekil-2: Nanometre skalası

Nanomalzeme tek bir atomdan daha büyük, fakat bakteri ve hücrelerden daha küçüktür. Örneğin bir tenis topu gibi bulk malzeme ile nanomalzeme arasındaki büyüklük kıyaslaması Şekil-2’deki skalada görülmektedir.

Tablo: Makro-, Mikro-, Nanoskala

Skala	Tipik Elementler
1 m	1 m = 1.000.000.000 nanometre (10⁹ nm )
200 µm	Çok çok keskin bir kalamle çok çok sabit (titremeyen) bir elle yazabileceğiniz en küçük harflerin boyutu
100 µm	~bir tel saç kalınlığı
10-1000 µm	Canlı organizmalardaki hücreler çeşitli boyutlarda olabilir; kurbağa başlangıç embriyo hücresi 1000µm’ye kadar çıkabilir
8 µm	Kırmzı kan hücresi
1 µm	Bakteri
100 nm	Virüs
5-100 nm	Atomik/moleküler komponentlerden yapılan nanoteknoloji sistemlerin boyut aralığıdır (kuantum dotlar, nanopartiküller, nanoteller ve nanotüplerin çapı, lipid membranlar, nanogözenekler, …)
10 nm	Canlı organizmaların bağışıklık sistemindeki antikor (antibody) moleküllerin boyutu
6-10 nm	Bir hücre membranın kalınlığı; ve membrandaki tipik gözenek boyutu
2.5 nm	DNA’nın genişliği (fakat koşullara bağlıdır)
1 nm	Bir C60 buckyball veya glukoz molekülünün boyutu
0.3 nm	Su molekülünün boyutu
1 Å = 0.1 nm	~ hidrojen atomunun boyutu
0.7 Å = 70 pm	AFM sistemindeki bir atomdaki her orbitali görüntüleyebilecek en yüksek rezolusyon

Nano Neden Özeldir?

‘Nano’ küçük, çok küçük demektir; çok küçük neden özeldir? Malzeme, mühendislik ve bunlarla ilişkili bilimlere yönelik araştırma ve geliştirme çalışmalarında nanobilim ve nanoteknolojiye gereksinimin çeşitli nedenleri vardır.

Birincisi, nanometre skalada maddenin, enerji gibi özellikleri değişir; bu durum kuantum etkisiyle açıklanır. Aynı malzemenin bulk haldeki özellikleri nano-boyutlu formundan çok farklıdır; örneğin, bulk gümüş zehirli değildir, oysa gümüş nanopartiküller temas ettiği virüsleri öldürebilme özelliğine sahiptir. Nanoskala seviyeye inildiğinde malzemenin elektrik iletkenliği, renk, kuvvet ve ağırlığı değişir; aynı metal nanoskalada bir yarıiletken veya yalıtkan (izolatör) özelliği gösterebilir.

Nanomalzemelerin ikinci üstün özelliği ‘bottom-up’ olarak tanımlanan küçükten-büyüğe prosesiyle atom-atom birleştirilmesiyle hazırlanabilmesidir. Ayrıca, nanomalzeme bulk malzemeye kıyasla çok yüksek yüzey/hacim oranına sahiptir.

Nanobilimden Nanoteknolojiye

Nanobilim bir ‘disiplinler-arası bilim’dir; yani, çok sayıda disiplini (kimya, fizik, biyoloji, biyokimya, mühendislik, v.s. gibi) kapsar (Şekil-3).

Nanobilimin ‘nesnel’ cihazlara uygulanması nanoteknoloji kapsamındadır. Nanoskalada çeşitli malzeme, yapı, komponenet, cihaz ve sistemler oluşturmak için atom ve moleküllerin manüpülasyonu kontrolü ve integrasyonuna dayanır.

Nanoteknoloji, nanobilimin özellikle endüstriyel ve ticari objelere uygulanmasıdır; yani, yatay-yakınsak teknolojilerdir (Şekil-4). Tipik bir örnek DNA silikon çiplerdir; bunlar, yatıiletken bilim (inorganik kimya) ve biyoloji (tıp endüstrisi) alanlarında yaygın olarak kullanılan elemanlardır.

Şekil-3: Nanobilim yatay-integre disiplinler arası bir bilimdir; tüm dikey bilimler ve mühendislik disiplinleri kapsar

Şekil-4: Nanoteknoloji, tüm dikey endüstriyel sektörleri kapsayan yatay-yakınsak teknolojilerdir (grafikteki yükseklikler sektörde nanoteknoloji etkisini gösterir)

GERİ