|Dünyamız/ Bilim ve Teknoloji/ Nanoteknoloji


NANOTEKNOLOJİ
Nanoteknoloji, atomların tek tek kullanılarak; makro dünyada olmayan niteliklere sahip, aygıtların üretilmesi ve kullanılması alanıdır. Türkçe 'ye 'moleküler üretim' diye çevrilebilecek olan nanoteknoloji kavramı, son yıllarda, çokça adından söz ettirmektedir.
Bir nanometre, milimetrenin milyonda biridir. Nanometre, bir başka ifadeyle, insan saçının çapının yüz binde biri büyüklüğündedir. Nano değeri, maddenin atomdan önceki mertebesini gösteriyor. Nanometre terimi, antik Yunanca 'da 'cüce' anlamına gelen 'nano' kökünden geliyor. Nanoteknoloji'nin bir başka tanımıysa, üretilmek istenen maddenin, atomlarından başlayarak yapılmasıdır.
Bu kavramı ilk defa dile getiren Amerika Birleşik Devletin'den Eric Drexler'dir. Nano teknoloji üzerine yoğunlaşan Foresight Enstitüsü'nün kurucusu olan Drexler, MIT laboratuarındaki çalışmaları sırasında, biyolojik sistemlerden esinlenerek, moleküler makineler yapılabileceğini önermiştir. Böylece, nanoteknoloji kavramı ortaya çıkmıştır.
Malzemenin büyüklüğü, nanometre ölçütlerine inince, kuantum davranışları, bilinen klasik davranışların yerine almaktadır.
Şöyle ki, mevcut nanoyapıya 'yabancı bir atomun' yapışması, elektronik özellikleri değiştirmektedir. Örneğin elektrik iletkenliğini, fark edilebilir şekilde değiştirmektedir. Bu yabancı atom, geçiş elementi olduğunda, yapıştığı bir nanoyapıya, manyetik özellikler kazandırabilmektedir. Kısacası, bir nanoyapının fiziksel özellikleri, bağ yapısı ve dolayısı ile dayanıklılığı, onun büyüklüğüne ve boyutuna bağlı olarak önemli değişimler gösterebilmektedir.
Örneğin, karbon atomlarından oluşan elmas kristali, iyi bir yalıtkan olduğu halde, bir boyutlu karbon atom zinciri, altın ve gümüş zincirlerinden bile daha iyi bir iletken olabilmektedir. Şimdi çok kısa bir tanım gerekirse, Nanobilim, nanometre ölçütlerinde ortaya çıkan bu yeni davranışları, kuvantum kuramı yardımı ile anlamamızı sağlar. Bir başka deyişle nanoteknoloji, bilinen moleküllere, yeni atom ve moleküller ekleyerek fonksiyonelliği artırır.
NANOTEKNOLOJİNİN GELİŞMESİ
Ekonomistler, nanoteknolojinin, yeni bir sanayi ve bilgi devrimi olarak 21. yüzyıla damgasını vuracağına inanıyorlar. Nanoteknoloji, öncelikle malzeme ve biyoteknoloji alanlarında gelişecektir. Ancak 10-15 yıl sonra elektronik, spintronikte(dönüş tabanlı elektronik-magnetoelektronik) ve özellikle moleküler elektronikte ağırlığını hissettireceği düşünülmektedir.
Nanomalzemelerin olağanüstü özellikleri, hemen hemen her alanda; savunma sanayinde, tekstilde, otomotiv sanayinde, inşaatta, yeni tedavi yöntemlerinde ve ilaç sanayinde devrim yaratacaktır. Sürtünmesiz yüzeyler sayesinde, taşıtlarda, motor yağı değiştirme sorunu ortadan kalkabilecektir. Kir tutmayan kumaşlar, belki çamaşır makinelerini ortadan kaldırabilecektir. Binalardaki betonarme kolonların kesitleri, küçülüp elastik özellikler kazanacaktır. Bu sayede de depremler, binaları daha az tahrib edecektir.
Nanobilim ve nanoteknoloji araştırmaları için gelişmiş ülkelerde, kamu sektörü, 2005 yılında toplam 6 milyar ABD doları yatırım yapmaktadır. Son yıllarda ABD, Japonya, AB Ülkeleri, Kore, İsrail, Güney Afrika Birliği, Kanada gibi ülkelerde, her biri 100 milyon Doların üzerinde harcama yapılarak, çok sayıda Ulusal Araştırma merkezleri kurulmuştur. ABD'de Stanford, Harvard, Cornell gibi tanınmış 13 üniversitede, kamu tarafından nanoteknoloji merkezleri kurulmuştur. Türkiye'de de ulusal nanoteknoloji araştırma merkezi, devlet planlama teşkilatı desteği ile kurulmuştur.
Başta Bilkent Üniversitesi olmak üzere Ortadoğu, Koç, Sabancı, Anadolu, Ege üniversiteleri de bu alanda çalışmalarını sürdürmektedir.
TABİATTAKİ CANLI ÖRNEKLER
Nanoteknoloji uygulamaları denilince, akla hemen pahalı ve yüksek teknoloji gerektiren ultrayüksek vakum isteyen cihazlar (UHV), yüksek sıcaklıklar veya nanometre boyutlarında litografi(taşbaskı) yapabilen aygıtlar geliyor. Hâlbuki tabiattaki örneklere bakıldığında, birçok tepkime ve malzemenin üretimi, oda sıcaklığında, normal şartlar altında ve sulu ortamlarda gerçekleşmektedir. "Lotus Yaprağı" veya "Köpekbalığı Derisi" örneklerinde olduğu gibi, tabiattaki canlılar, yüzey özelliklerini zor koşullarda kolayca ve hızlıca kontrol edebilmektedirler.
BİLİM, "LOTUS YAPRAĞI"NI TAKLİT EDİYOR
Lotus yaprağının yüzeyinde bulunan mikron ve nano seviyesindeki çukur ve tepecikli yapılar sayesinde, bitkinin yaprakları kesinlikle ıslanmamaktadır. Su damlacıkları, yaprağın toprağa doğru eğimli şekli sayesinde, toprağa doğru kayarken üzerindeki çamuru, küçük böcekleri ve diğer kirlilikleri de beraberinde taşımaktadır. Bu sayede, Lotus bitkisi, çamurlu nehirlerde ve göllerde yetişmesine rağmen yaprakları oldukça temizdir.
Nano bilimiyle uğraşan bilim adamları da, Lotus yaprağının bu özelliğini taklit etmektedir.Böylece boyaların, kumaşların ve diğer pek çok yüzeyin, hem kuru kalması, hem de kendi kendini temizlemesi için yeni yöntemler geliştirmektedirler. Bu amaçla da, yüzeyler, ya florlu ya da silikon içeren bileşiklerle işleme tabi tutulmaktadır.
Yakın bir geçmişte, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MİT) bilim adamları, camlarda oluşan buğulanmanın önüne geçebilmek için, şeffaf bir kaplama geliştirdiler. Bu kaplama, küçük cam parçacıkları olan silis nano parçalardan ve polimerden oluşmaktadır. Buğulanma, binlerce çok küçük su damlasının, cam ve benzeri yüzeyler üzerinde yoğunlaşmasıyla oluşmaktadır. Bu damlalar, ışığı bir çeşit filtreleyerek, yüzeyin yarı şeffaf bir görüntü kazanmasını sağlamaktadır. Kaplama içindeki nano parçacıklar, su parçacıklarının cam yüzeyinden, yuvarlanıp uzaklaşmasını sağlayarak, buğulanmanın oluşumunu engellemektedir.
"ÖRNEKSİZ YARATAN ALLAH'TIR"
Kelebek kanatlarının ve tavus kuşu tüylerinin, nasıl olup da, bu kadar güzel renklere sahip olduklarını merak etmişizdir. Hatta kimi canlılarda, sabit bir renk olmayıp, bakış açımızı değiştirdikçe, renk değiştiren (yanardöner olan) yapılar bulunmaktadır. Bunlara, yüksek çözünürlüklü mikroskoplarla bakıldığında, değişik optik özelliklere sahip periyodik yapılar olduğu görülür. Tüm bu muhteşem renklerin, fotonik kristaller sayesinde gerçekleştiğine şahit oluruz. Işığın kontrolünü sağlayan bu yapıların, laboratuara taşınması ile farklı uygulamalara önemli kapılar açılacaktır.
Kelebekler, çok farklı renklere ve desenlere sahiptirler. Kelebek kanatlarında, yapısal renklenmeyi; 'girişim ve saçılım mekanizmalarıyla', sağlayan küçük pulcuklar vardır. Bu pulların yüzeyindeki damarların kesiti, çam ağacının karakteristik şekline benzemektedir. Bu sayede, yüzeyde lamelli bir yapı oluşmakta ve yansıtılan dalga boyundaki ışığın, en yüksek değeri artmaktadır. Bu da, rengin daha parlak görünmesini sağlamaktadır.
HİDROFİLİK(SUYU SEVEN) YÜZEYLER
Suyu çok seven yüzeyler, hidrofilik olarak sınıflandırılırlar. Bu tip yüzeyler, genellikle yüklüdür ve yapılarındaki polar grup sayesinde, su moleküllerini çekerler. Maddelerin, hidrofilik özelliklerinin, endüstride çok önemli kullanım alanları vardır. Bunlardan bir tanesi hidrofilik zarlardır. Bu zarlar, su moleküllerini çekerken, diğer polar olmayan; yağ, gres vb. molekülleri iterek, temiz bir yüzey sağlarlar. Hidrofilik yüzeylerin, diğer kullanım alanlarına; kontak lens temizleyicileri, ıslak mendil ve çocuk bezleri örnek olarak gösterilebilir.
HİDROFOBİK (SUYU SEVMEYEN) YÜZEYLER
Suyu sevmeyen yüzeyler de, hidrofobik yüzeyler olarak sınıflandırılmaktadırlar. Suyun yüzeye temas açısının büyüklüğü, yüzeyin hidrofobik veya hidrofilik olmasının bir ölçütüdür. Bu bağlamda, temas açısı arttıkça, yüzeyin, suyu sevmeme özelliği de artmaktadır. Temas açısını etkileyen iki önemli faktörden bir tanesi, yüzey pürüzlülüğü diğeri ise yüzey gerilimidir.
SÜRTÜNMESİZ YÜZEYLER
Sürtünme, temas halindeki, katı cisimler arasında, kaymaya karşı direnç olarak tanımlanabilir. Bilinen bütün fiziksel olgular arasında, sürtünme, çok özel ve önemli bir yere haizdir. Sürtünmesiz ayakta durabilmek veya yürüyebilmek imkânsızdır. Dolayısıyla, bazı durumlarda, sürtünmeye çok ihtiyacımız olduğu gibi, her gün kullandığımız araba ve diğer motorlu taşıtlarda da sürtünmenin çok asgari mertebelerde olmasını arzu ederiz.
Sürtünmenin endüstriye ve çevreye olan olumsuz etkileri, hayal edilemeyecek kadar çoktur. Sürtünme, dolaylı yollardan, hava ve çevre kirliliğine de sebep olmaktadır. Sürtünmeyi yenmek için harcanan yakıt enerjisinden kaynaklanan karbon dioksit ve öbür zararlı gazlar, direkt olarak atmosfere bırakılmaktadır. Bunlarda, atmosferdeki hem sera gazlarının artmasına, hem de eko sistemin bozulmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, motorlu araçlarda ve öbür mekanik sistemlerde, sürtünmeyi, en düşük değerlere indirebilecek teknolojilere acilen ihtiyaç vardır.
SÜPER KAYGANLIK
"Süper kayganlık" kelimesi, ilk defa Prof. Dr. Hirano tarafından kullanılmıştır. "Süper kayganlık" terimi, hangi şartlar altında sürtünmesiz kayma elde edilebileceğini tanımlamak için kullanılmıştır. Süper kayganlığın, çok zayıf kuvvetlerle ilişki halinde olan yüzeylerde ve atom mertebesinde, uyumsuz temas durumlarında, elde edilebileceği tahmin edilmiştir. Daha sonra yapılan deneysel çalışmalarda, birbiri ile atom mertebesinde uyumsuz bir temas halinde olan grafit ve silikon yüzeylerinde, sürtünmenin neredeyse sıfıra kadar düşebildiği, deneysel olarak ispatlanmıştır. Süper kayganlık, ancak atomsal mertebede, uyumsuz temas durumlarında mümkün olabilmiştir.
Elmas ve elmasa benzer karbon kaplamaların, en yoğun araştırıldığı bilim merkezlerinden birisi de, ABD de, Chicago şehri yakınındaki, Argonne National Laboratory'dır. Burada sistematik olarak sürdürülen bilimsel çalışmalar sayesinde, yüksek hidrojen ihtiva eden elmasa benzer karbon kaplamanın, çok ağır sürtünme şartları altında bile, sürtünme katsayısının, neredeyse sıfıra (örneğin 0.001) indirebileceği ispatlanmıştır.
Karbon temelli katı maddelerde, sürtünmenin ana kaynaklarından bazıları; çok kuvvetli kovalent bağlardır. Süper kayganlık için, bu bağların tamamen yok edilmesi şarttır. Şayet bu yapılmamış ise bu bağlar sürtünme sırasında, yüzeyler arasında çok kuvvetli bağlar oluşturarak, kaymayı zorlaştırmaktadır. Bu bağları, yok edebilmenin en kolay yollarından birisi, bu kaplamaların içine ve sürtünen yüzeylerine, gerektiği kadar hidrojen temin etmektir. Hidrojen, karbon ile çok kolay reaksiyona girer ve ona çok kuvvetli bağlar ile bağlanır. Bu kovalent bağların ortadan kaldırılması da, sürtünen yüzeylerini, kimyasal açıdan duyarsız bir hale getirir. Bu tür yüzeyler, sürtünme sırasında, kimyasal bağ oluşturamazlar.
FOTONİK KRİSTAL ÇAĞ
Kristaller, atomların, iyonların ve moleküllerin, maddenin kendine özgü yapısını oluşturacak biçimde, periyodik olarak her yöne doğru dizildiği üç boyutlu kafeslerdir.
Kristal yapılı malzemelerde atomlar, üç boyutta, belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim kafesi oluştururlar.
Kristal yapılı malzemelerde hacim kafesini oluşturan basit geometrik şekillere, birim hücre veya birim kafes, atom veya atom gruplarının bulunduğu yerlere de kafes noktası denilir.
Atomların üç boyutlu uzayda düzenli; kendini tekrar eden bir şekilde dizilişiyle oluşan yapıya kristal yapı denir.
Bir kristal yapı, birim hücresiyle tanımlanır. Birim hücre, kristal yapının tüm geometrik özeliklerine sahiptir.
Tüm metaller, bir çok seramikler ve bazı polimerler kristal yapıdadır
Fotonik kristaller, yalıtkan veya metalik malzemelerin, bir, iki, veya üç boyutta periyodik olarak düzenlenmesiyle elde edilir. İçerisinde, farklı dalga boylarını barındıran, bir ışık demeti, fotonik kristaller üzerine düşürüldüğünde, belirli dalga boyu aralığındaki ışık, kristal içerisine girememekte ve fotonik kristal yüzeyinden, tamamen geri yansımaktadır.
Elektronların hareketinin, yarı iletken kristallerde kontrol edilmesi, yeni bir teknoloji devrimine yol açmıştır. Bu teknoloji sayesinde, insanoğlunun yaşamı, inanılmaz ölçüde kolaylaşmıştır. Böylece bilgisayar, CD çalar gibi birçok elektronik alet, hayatımıza girmiştir.
1987 yılında, periyodik fotonik yapılarda, ışığın, yasak banda sahip olduğunun gösterilmesi, ışığın hareketinin, kontrol edilmesinde bir çığır açmıştır. Fotonlar, hem birbirleriyle etkileşmemekte, hem de elektronlara göre, binlerce kat daha yüksek hızlara sahip olmaktadırlar. Dolayısıyla, optik devrelerin, elektronik devrelere göre çok daha hızlı çalışmasından dolayı, yakın bir gelecekte elektronik çağın yerini, fotonik çağa bırakacağı beklenmektedir.
NANOBİYOTEKNOLOJİ
Nanoteknoloji ile biyoteknolojinin birlikte gelişmesi ve moleküler biyoloji alanındaki
çok hızlı bilgi birikiminin, bu iki gelişen alanı beslemesiyle; nanobiyoteknoloji araştırma alanı ortaya çıkmıştır. Bu sayede, bugüne kadar mümkün olmayan tanı ve tedavi, artık insanda kullanılmaya başlanmıştır. Kanser, Enfeksiyon ve Alerjiye karşı tedaviler, nanobiyoteknoloji sayesinde geliştirilmektedir.
Hücrelerimizdeki bir DNA molekülünün çapı, 2 nanometre, kanda dolaşan antikor proteinlerinin tiplerine göre, 15 ile 50 nanometre civarındadır. Bu nedenledir ki nanobiyoteknolojinin, yakın gelecekte nanobilim ve tıp alanında, önemli yenilik ve açılımlar getireceği açıktır. Araştırmalar, nanoimplantlardan akıllı ilaç salım sistemlerine, nanobiyomakinalardan, biyoinformatik ve genomik uygulamalar için DNA çiplerinin nanofabrikasyonuna ve kök hücreye dayanan organ mühendisliğine kadar uzanmaktadır.
Ayrıca, kanser hücrelerinin, sağlıklı hücrelere zarar vermeden öldürülmesi üzerine, nanobiyoteknoloji grubu, çok yeni ve farklı yöntemler üstünde çalışmaktadır. Bu konuda, dünyada birkaç laboratuarda sürdürülen, çok ileri düzeyde araştırmalar yapılmaktadır. DNA moleküllerinin, bağışıklık sistemi üzerine olan uyarıcı etkisinden yararlanarak, yeni DNA kökenli ilaçlar tasarlanmaktadır.
AKILLI FİBERLERLE "KANSER TEDAVİSİ"
Ayrıca ışığın, fotonik kristal fiberler içerisinde hapsedilerek yönlendirilmesi; kanserli dokuların vücut içerisinde, lazerle yakılarak yok edilmesinden, fiber tabanlı lazerlere kadar, birçok yeni uygulama alanları açmıştır.
Kanserli hücrelerin, yüksek enerji taşıyabilen akıllı fiberlerle, dağlanarak (yakılarak) tedavi edilmesi, bu alanda çığır açmıştır.Örnek olarak; bir hastanın, sigara dumanından dolayı akciğer kanallarında meydana gelen kanserli tümör dokuları, Harvard Brigham Kadın Hastanesi'nde yapılan operasyonla, neştersiz ve cerrahî müdahalesiz bir şekilde yok edilmiştir. Mehmet Bayındır'ın da içinde bulunduğu grubun, keşfettiği lazer fiberlerle, hastanın akciğerine girilmiş ve kamera yardımıyla, ince fiberlerin taşıdığı lazer kullanılarak tümör yok edilmiştir.
|Dr. Halil Bayraktar


Aysel Kargıoğlu
yaklasansaat.com
12/2006
Kaynaklar:
1) Bilim ve Teknik, Ocak 2001, Ağustos 2005, Aralık 2006
2) Pcnet Dergisi
3) nano.org.tr
4) elektrotekno.com
5) sorucevap.com