BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK Yenilikçi Gençlik ve Üretken Yeni Nesiller

Geleceğe ışık tutan bir bilim dalı olması ve hayata kattığı değer bu bilim dalının gelecekteki yerini inanılmaz kılıyor. Ülkemiz adına üretilmiş ve üretilebilir yeni nanoteknolojik ürünleri geliştirmek adına nanoteknolojinin ne olduğunu, nerelerde kullanıldığını ve gelecekte hangi boyutlara ulaşacağını yararları ve zararları ile öğrenmeye ne dersiniz?

Çeviren, Derleyen & Yazan: Dr. Melike Karakaya (Nanoteknoloji, PhD)

BÜYÜYEN NANOTEKNOLOJİ VE GELECEK

Üretken ve yeniliğe açık nesiller, gelişen teknolojide son yıllarda hayatın tüm alanlarında

oldukça büyük bir orana sahip nanoteknolojinin ne boyutta büyüyeceği ve günümüzdeki

teknolojiyle ne konuda etkileşim sağlayarak yenilikler aktaracağı konusunda oldukça meraklı.

Nanoteknoloji terimi aslında hayatımıza yaklaşık 1959 yılında Feynman ile girmiş olsa da

bilimsel çalışmaların hızlanarak bu alanda yapılan çalışmaların artması, 1981 yılında

atomların bireysel olarak görüntülenmesini sağlayan Taramalı Tünelleme Mikroskobunun

icadından sonra olmuştur. Popüler kültürde yer alarak kişilere endüstriyel alanda tam

anlamıyla ulaşması ise ancak 2000’li yılların başlangıcında olabilmiştir.

Nanoteknoloji terim olarak anlamlandırılamadığı yıllarda ilk ürünlerini aslında çoktan

vermeye başlamıştır. Premodern zamanlara baktığımızda, 4. yüzyıldan kalma eserlerden şu

anda İngiliz Müzesinde bulunan “Lycurgus Kupası” nanoteknolojinin isimlendirilmediği

yıllarda kullanılmaya başlandığını gösteren önemli bir örnektir. Dikroik camın bir örneği olan

Roma dönemi eseri, cam üretiminde kolloidal altın ve gümüşün kullanılması ile yapılmıştır.

Kupa ışık ile dıştan aydınlatıldığında opak yeşil görünüm sağlarken ışığın içten parlamasıyla

yarı saydam kırmızı renkte görünmektedir.

Solda dikroik camın farklı açılardan ışınlara maruz kaldığında gösterdiği renkler (McClain

Gallery, Houston; Nash Baker). Sağda İngiliz Müzesi'ndeki Lycurgus Kupasının dıştan (sol) ve

içten aydınlatılmış hali (sağdaki). (Ulusal Nanoteknoloji Girişimi web sitesi (NNI))

Zanaatkârlar tarafından etki mekanizmasının bilinmediği, sadece tecrübe ile belli bir sonucun

elde edilebileceğinin bilinci ile yapılan bu ürünlerin üretim mekanizması, materyallerin

manipüle edilmesine dayanıyordu. Seçme, ekleme ve çıkarma yoluyla bilgileri ve

malzemeleri değiştirerek yaptıkları, bilimsellikten uzak, görgü ve öneriye dayanan bu ampirik

anlayışın eserleri oldukça fazladır.

6. ve 15. yüzyıllarda Avrupa katedrallerindeki canlı vitray pencereler zengin renklerini altın

klorür ve diğer metal oksitler ile klorürlerin nanopartiküllerine borçluydu. Ayrıca altın

nanopartikülleri dönemde fotokatalitik hava temizleyicileri olarak görev yaptılar.

9. yüzyıl ile 17. yüzyıllar arasında İslam dünyasında ve sonrasında Avrupa'da kullanılan parlak,

"parıltılı" seramik sırlar gümüş, bakır ya da diğer metalik nanopartiküller içeriyordu.

13. ve 18. Yüzyıllardan kalma "Şam" kılıç bıçakları, karbon nanotüpleri ve çimentoit

nanotellerini içeren çok yüksek karbonlu çelik formülasyonuna sahipti. Bu nano yapılar güçlü

bir direnç, sert bir kenar tutabilme özelliği ve çelikte bıçaklara görünür bir hareli desen

sağlamaktaydı. Bu özel kılıçların bir kaç yüz yıl sonra 2006’ da Reibold ve arkadaşları

tarafından transmisyon elektron mikroskopi görüntüleri alınmış ve yapıları açığa

çıkarılabilmiştir.

Modern dönemde geçmiş tarihteki bu çalışmalar incelenmeye başlanmış ve giderek artan

sofistike bir bilimsel anlayışa dönüşen, enstrümantasyon ile deneylere dayanan boyutlara

ulaşmıştır. 1857 yılında Faraday’ın koloidal nano yapılı altınları keşfi ve 1936 yılındaki

Muller’in atom emisyonuna yakın çözünürlükte görüntüler elde etmeye dayanan emisyon

mikroskopunun icadı ile bilim adamlarına yön gösteren bu çalışmalar 1947 yılından sonra

yıllık düzenli buluş, icat ve tespitlere dayalı bilimsel metotlarla günümüze kadar artan bir eğri

çizerek ilerlemiştir. Bu çalışmaların hangi yıllar arasında nanoteknolojinin hangi dalında ne

şekilde ilerlediğinin skalası aşağıda verilmiştir.

Modern dönemde 1857 ile 2000 yılları arasındaki Nanoteknoloji gelişim tablosu.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1857&1950

1936&1951

1947&1956

1959

1965

1974

1981

1981&1985

1986

1989

1985&1991

1989-2000 Erken Nanoteknoloji Şirketleri

Karbon Fulleren,Karbon Nanotüpler

Atomların tam olarak işlenebilme yeteneğigösterildi

Atomik kuvvet mikroskobu icadı

Kuantum Noktalar

Tarama tünelleme mikroskop icadı

Nanoteknoloji Terimi Üretildi

Yarı iletken endüstrisi

Feynman'ın ilk ölçekte ders

Devre,transistör,yarı iletkenler

Mikroskoplar

Kolloidler

2000 yıllarından sonra endüstriyel alanda ve bilimsel çalışmalar ile ilgili olağanüstü farklı

çalışmaların gerçekleştiği Nanoteknoloji’yi tanıyalım. Geleceğe ışık tutan bir bilim dalı olması

ve hayata kattığı değer bu bilim dalının gelecekteki yerini inanılmaz kılıyor. Bu kapsamda

ülkemiz adına üretilmiş ve üretilebilir yeni nanoteknolojik ürünleri geliştirmek adına

nanoteknolojinin ne olduğunu, nerelerde kullanıldığını ve gelecekte hangi boyutlara

ulaşacağını yararları ve zararları ile bilmek oldukça önem arz ediyor.

Burada nanoteknolojinin ne olduğunu ve nerede olduğunu öğrenmenin yanı sıra merak

konusu olan "nanoteknoloji nereye gidiyor" sorusunun cevabını bulmaya çalışacağız.

Nanoteknolojinin önünde büyük bir gelecek var ve sürekli olarak bu endüstri her gün

artmakta. Bu yazıda, nanoteknolojinin hayatımızı etkileyecek en önemli özelliklerinden

bazılarını ve geçmişimizden bugüne kadar olan etkilerini inceleyeceğiz.

NANOTEKNOLOJİ GERÇEKTEN NE KADAR KÜÇÜK?

Nanoteknoloji; bilim, araştırma ve teknolojinin birçok alanını kapsayan geniş bir terimdir. En

basit şekilde, küçük şeylerle çalışmak olarak tanımlanabilir. Standart mikroskoplarla

görülemeyecek kadar küçük, hep orada olan ancak bizim göremediğimiz, doğanın, atomların

ve moleküllerin yapı taşları olan şeylerle çalışmaktır. Nano teknoloji, maddeyi "nano"

ölçeğinde anlamayı içerir.

Nanoteknoloji, yaklaşık 1 ila 100 nanometre arasındaki boyutlarda nano bölgedeki maddenin

anlaşılması ve kontrolüdür. Burada benzersiz olgular yeni uygulamalara olanak tanır. Bir

nanometre, metrenin milyarda bir milyarı kadardır. Nano ölçekli bilim, mühendislik ve

teknolojiyi içeren nanoteknoloji, bu uzunluk ölçeğinde maddenin görüntülenmesi, ölçülmesi,

modellenmesi ve manipüle edilmesini içerir.

"Nano" ne kadar küçük? Uluslararası Birim Sistemi'nde "nano" öneki "bir milyar" veya 10-9

anlamına gelir. Bu nedenle bir nanometre bir metreküp milyarda biridir. Bunun ne kadar

küçük olduğunu hayal etmek zor, bu yüzden bazı örnekler verelim:

• Bir insan DNA dizisi 2,5 nanometre çapındadır. Bir kâğıt parçası yaklaşık 100.000

nanometre kalınlığa sahiptir

Britannica web sitesi Joe Wilensky/Cornell Chronicle

• Karbon nanotüpler yaklaşık 1 nanometre çapındadır. İnsan saçı yaklaşık 80.000- 100.000

nanometre genişliğindedir.

Kimya mühendisi websitesi Garlex web sitesi

• Karşılaştırmalı bir ölçekte, bir tenis topunun çapı bir nanometre ise, o zaman Dünya'nın

çapı yaklaşık bir metre

Clipartsgram web sitesi

• Tek bir altın atomu, yaklaşık olarak nanometre çapının üçte biridir

• Bir nanometre, tırnağınızın bir saniyede büyüdüğü sürece

NANO BOYUTTA ÇALIŞMAK NEDEN GEREKLİ?

Gazlar, sıvılar ve katılar gibi maddeler, nano ölçekte, dökme malzemelerin ve tek atomların

veya moleküllerin özelliklerinden önemli derecede farklı olan olağandışı fiziksel, kimyasal ve

biyolojik özellikler sergileyebilir. Bazı nano yapılı materyaller diğer formlara veya boyutlara

veya aynı materyale kıyasla daha güçlü ve farklı manyetik özelliklere sahiptir. Kimisi ısı veya

elektrik iletmek konusunda daha iyidir. Boyutları veya yapısı değiştikçe daha fazla kimyasal

tepki verebilir, ışığı daha iyi yansıtabilir veya renk değiştirebilirler.

Nano ölçekli parçacıklar doğada ve bilimde yeni değildir. Bununla birlikte, mikroskopi gibi

alanlardaki yeni sıçramalar bilim adamlarına, maddenin nano boyutta organize edildiğinde

doğal olarak oluşan olguları anlama ve yararlanma açısından daha yeni araçlar sağlamış oldu.

Özünde bu olgular, "kuantum efektler" ve geniş yüzey alanı gibi diğer basit fiziksel etkilere

dayanıyor. Buna ek olarak, biyolojik süreçlerin büyük bir çoğunluğunun nano boyutta

gerçekleşmesi, bilim insanlarına tıp, görüntüleme, bilgisayar, baskı, kimyasal kataliz, materyal

sentezi ve diğer birçok alanda çalışmalarını geliştirmelerine ve yeni süreçleri hayal ederek

özel modeller ve şablonlar kurmalarına olanak vermektedir. Nanoteknoloji, daha küçük

boyutlarda çalışmakla kalmıyor. Daha ziyade nano ölçekte çalışmak, bilim insanlarının doğal

olarak o ölçekte ortaya çıkan eşsiz fiziksel, kimyasal, mekanik ve optik özelliklerden

yararlanmalarını sağlıyor.

Malzemelerin Özelliklerine Kuantum Efektlerin Hakim Olduğu Ölçek:

Görünür ölçekte katı maddelerin parçacık boyutları düzenli bir optik mikroskopta

görülebilenlerle karşılaştırıldığında, parçacıkların özelliklerinde çok az fark vardır. Ancak,

parçacıklar yaklaşık 1-100 nanometre boyutlarında (parçacıkların yalnızca güçlü

özelleştirilmiş mikroskoplarla "görülebildiği") oluşturulduğunda, malzemelerin özellikleri

daha büyük ölçekli malzemelerden önemli ölçüde değişir. Bu, kuantum efektleri olarak

adlandırılan boyut ölçeğidir ve parçacıkların davranış ve özelliklerini belirler. Malzemelerin

özellikleri, bu ölçek aralığında boyuta bağlıdır. Bu nedenle, parçacık boyutu nanokütle haline

getirildiğinde, erime noktası, flüoresan, elektrik iletkenliği, manyetik geçirgenlik ve kimyasal

reaktivite gibi özellikler parçacık boyutunun bir fonksiyonu olarak değişir.

Nano ölçekte altın, nano yapıda meydana gelen benzersiz özelliklerini gösterir. Nanosalik

altın parçacıkları tanıdık olduğumuz sarı renk değildir. Nanokron altın kırmızı veya mor

görünebilir. Nano ölçeğinde, altının elektronlarının hareketi sınırlandırılmıştır. Bu hareket

kısıtlı olduğu için, altın nanopartiküller daha büyük ölçekli altın parçacıklarına kıyasla ışık ile

farklı tepki verirler. Boyutları ve optik özellikleri pratikte kullanılabilir: Nano ölçekli altın

partikülleri seçici olarak tümörlerde birikirler ve burada hem hassas görüntüleme hem de

hedeflenen lazerle yıkımı sağlayarak sağlıklı hücrelere zarar vermezler.

Nano ölçeğin kuantum etkilerinin büyüleyici ve güçlü bir sonucu, özelliklerin

“ayarlanabilirliği” kavramıdır. Yani, bir bilim adamı parçacığın boyutunu değiştirerek maddi

bir özelliği (örneğin, flüoresan rengini değiştirirken) hassas olarak ayarlayabilir. Bu durumda,

bir parçacığın flüoresan rengi parçacığı tanımlamak için kullanılabilir ve çeşitli malzemeler ve

çeşitli amaçlar için flüoresan işaretleyicilerle “etiketli” olabilir. Nano ölçeğin bir diğer güçlü

kuantum etkisi, “tünel oluşturma” olarak bilinir. Bu, işlem için tarama tünel mikroskopu ve

flash bellek sağlayan bir olgudur.

Biyolojik Olayların Meydana Geldiği Ölçek:

Doğa binlerce yılda nanoteknoloji alanında biyoloji sanatını mükemmelleştirdi. Hücrelerin iç

işleyişlerinin birçoğu doğal olarak nano ölçekte meydana gelir. Örneğin, hemoglobin (oksijeni

vücuda aktaran protein) çap olarak 5,5 nanometredir. İnsan hayatının temel taşlarından biri

olan bir DNA dizisi sadece yaklaşık 2 nanometre çapındadır.

Birçok tıbbi araştırmacı, doğal biyolojik ölçekte çizim yaparak geleneksel olanlardan daha

hassas ve kişiselleştirilmiş araçlar, tedaviler ve terapiler tasarlamaya çalışıyor ve böylece bir

hastalığın başlangıcında uygulanabilmesini ve daha az yan etki oluşturmasını sağlıyor.

Nanoteknolojinin tıbbi bir örneği biyo-barkod tahlilidir. Bu örnekte çok az dahi olsa, kandaki

hastalığı özel biyolojik belirteçler ile tespit etmeyi sağlayan nispeten düşük maliyetli bir

yöntemdir. Parçaları ve DNA "amplifikatörlerini" "altın nanopartiküllerine" bağlayan temel

süreç, aslında Northwestern Üniversitesi'nde prostatektomiyi izleyen bir prostat kanseri

biyobelirteçi için gösterildi. Biyolojik barkod analizinin, aynı hedef biyolojik belirteçler için

konvansiyonel analizlerden çok daha hassas olduğu kanıtlanmıştır ve neredeyse herhangi bir

moleküler hedef tespiti için adapte edilebilir.

Nano ölçekli biyomoleküler yapıların büyümekte olan anlayışı, tıbba göre diğer alanları da

etkilemektedir. Bazı bilim insanları, yeni bilgisayar platformları oluşturmak için moleküler

kendini toparlama, kendi kendini düzenleme ve kuantum mekaniğinin nanometrik biyolojik

ilkelerini kullanmanın yollarını araştırıyor. Diğer bazı araştırmacılar, fotosentez esnasında

bitkilerin güneş ışığından hasat ettiği enerjinin neredeyse anında bitki "reaksiyon

merkezlerine" kuantum mekanik işlemlerle yaklaşık % 100 verimlilikle (boşa harcanmış ısı

enerjisi oldukça az miktardadır) aktarıldığını keşfettiler. Bilim adamları ayrıca güneş

enerjisinin ucuz üretimi ve depolanması, "yeşil enerji" nanosistemleri için bir model olarak

fotosentezi örnek model alarak araştırmalar yapıyor.

Malzeme Özelliklerinde Ve Etkileşimlerinde Yüzeylerin Ve Ara Yüzeylerin Büyük Bir Rol

Oynadığı Ölçek:

Nano ölçekli materyallerin, benzer ağırlıktaki daha büyük ölçekli materyallere kıyasla çok

daha büyük yüzey alanları vardır. Bir maddenin kütlesi başına yüzey alanı arttıkça,

malzemenin daha büyük bir kısmı çevreleyen malzemelerle temas edebilir, bu da reaktiviteyi

etkiler.

Basit bir düşünce deneyi, nanoparçacıkların neden olağanüstü yüksek yüzey alanlarına sahip

olduğunu gösterir. Bir tarafta 1 cm'lik katı bir küp maddenin 6 santimetreküp yüzey alanı

vardır. Ancak bu hacim 1 santimetreküp bir yanda 1 santimlik küp ile doldurulursa, bunların

her biri toplam 6 milimetrekarelik bir yüzey alanına sahip olan 1.000 milimetre küp (10 x 10 x

10) olurdu. Ve bu tek kübik santimetre hacim 1 nanometre boyutunda küp (her biri 6 kare

nanometre alanı olan) ile dolduğunda toplam yüzey alanı 6.000 metrekareye ulaşır. Diğer bir

deyişle, tek bir kübik santimetre kübik nanopartiküller, bir futbol sahasından üçte bir

oranında daha büyük toplam yüzey alanına sahiptir.

Trynano web sitesi

Bu resim, boyut düştükçe yüzey alanının nasıl arttığını göstermektedir.

Daha geniş yüzey alanının (ve gelişmiş reaktivitenin) bir özelliği, daha iyi katalizörler

oluşturmalarına yardımcı olmalarıdır. Sonuç olarak, nanoyapılı materyallerin oluşturduğu

kataliz, petrol ve kimya endüstrilerinde milyarlarca dolarlık geliri etkileyen dev küresel

katalizör pazarlarının yaklaşık üçte birini etkiliyor. Katalizin günlük bir örneği, bir arabadaki

motor dumanının toksikliğini azaltan katalitik konvertördür. Nano yapı kullanılarak üretilen

piller, yakıt hücreleri ve katalizörler, nano ölçeğin reaktivite potansiyelini artırarak daha

temiz, daha güvenli ve daha ekonomik olarak enerji üretilmesi ve depolanmasında

kullanabilirler.

Geniş yüzey alanı aynı zamanda nanoyapılı membranları ve malzemeleri su arıtımı ve tuzdan

arındırma için ideal adaylar yapar. İlaç dağıtımından giysi izolasyonuna kadar uzanan

uygulamalar için nano yapılı malzeme yüzeylerinin (belirli amaçlar için parçacıkların

eklenmesiyle) "işlevselleştirilmesine" de yardımcı olur.

NANO YAPILI MALZEMELERİ ANLAMA VE MANİPÜLE ETME

Nanoteknoloji, sadece nano ölçekli malzemeleri bir araya getirmekten daha fazlasını; bu

materyalleri anlama ve tam olarak manipüle etme ve bunları yararlı bir şekilde kontrol etme

kabiliyeti gerektirir. Nanoteknoloji, fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi ve mühendislik gibi

farklı alanların nano ölçekte birleştiği yeni ve geniş bir bilimle ilgilidir.

Nano ölçekli materyallerin doğada olduğunu anlamak da oldukça önemlidir. Örneğin, kırmızı

kan hücrelerinde bulunan ve oksijen taşıyan protein olan hemoglobin, 5,5 nanometre

çapındadır. Doğal olarak meydana gelen nanomalzemeler etrafımızda fazlaca bulunmaktadır.

Yangın dumanı, volkanik kül ve deniz spreyi bunlara örnektir. Bazı nanomalzemeler de,

otobüs, otomobil egzozu ve kaynak dumanı gibi, insan faaliyetinin bir yan ürünüdür.

Nanometre boyutunu yaklaşık 1 ila 100 nanometre olduğunu biliyoruz. Nanobilim ve

nanoteknoloji, bireysel atomları ve molekülleri görme ve denetleme kabiliyetini içerir.

Yerküredeki her şey atomlardan oluşur: yediğimiz yiyecekler, giydiğimiz kıyafetler, içinde

yaşadığımız binalar ve evler ve kendi bedenlerimiz. Nano ölçeğinde çalışmak, nanoküre

malzemelerinin çeşitli tiplerini ve boyutlarını da anlamayı gerektirir. Farklı nanomalzemeler,

şekilleri ve boyutlarına göre adlandırılmıştır. Bunları sadece bir veya daha fazla nanometre

boyutlu boyuta sahip parçacıklar, tüpler, teller, filmler, pullar veya kabuklar olarak düşünün.

Örneğin, karbon nanotüpleri nano ölçekte bir çapa sahiptir ancak birkaç yüz nanometre

uzunluğunda veya daha uzun olabilir. Nanofilmler veya nanoparçacıklar nano boyutta bir

kalınlığa sahiptir ancak diğer iki boyutları daha büyük olabilir. Burada anahtar nokta

nanomalzemelerin özel özelliklerinden yararlanmak, görmek ve işleyebilmektir.

Fakat atom kadar küçük bir şeyi çıplak gözle görmek imkânsızdır. Aslında, lise fen derslerinde

tipik olarak kullanılan mikroskoplarla görülemez. Nano ölçeğindeki şeyleri görmek için

gereken mikroskoplar yaklaşık 30 yıl önce nispeten icat edildi. Daha önce de belirtildiği gibi,

özel mikroskopların icadı, bilim insanlarına nano ölçekte çalışma yeteneği de kazandırdı.

Nanobilim ve nanoteknolojinin ardındaki fikirler ve kavramlar, daha nanoteknolojinin

kullanılmasından uzun süre önce 29 Aralık 1959'da Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde

(CalTech) Amerikan Fizik Derneği toplantısında fizikçi Richard Feynman tarafından "Altta Bir

Oda Var" başlıklı bir konuşma ile başlamıştı. Konuşmasında Feynman, bilim insanlarının

bireysel atomları ve molekülleri manipüle edebilecekleri ve kontrol edebilecekleri bir

süreçten bahsetti. On yıl sonra, ultra hassas işleme araştırmalarında Profesör Norio Taniguchi

nanoteknoloji kavramını hazırladı. Modern nanoteknolojinin başlangıcı tek atomları

"görebiliyor" olan tarama tünel mikroskopunun 1981 yılında geliştirilmesiyle ancak

başlayabildi.

Richard P. Feynman: (1918-1988) ABD'li kuramsal fizikçi. Kuantum elektrodinamiği

alanındaki çalışmaları nedeniyle 1965'te Nobel Fizik Ödülü'nü almıştır.

Bilim insanları taramalı elektron mikroskopu, transmisyon elektron mikroskopu ve alan iyon

mikroskopu gibi aletleri kullanarak nanometreyi görebildiler. Mikroskopide son gelişmeler ve

dikkat çekici gelişmeler tarama tünel mikroskopu ve atomik kuvvet mikroskopudur. Bilim

insanları, tarama tünelleme mikroskopu (STM) ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) gibi

doğru aletleri elde ettikten sonra, nanoteknoloji yaşı doğdu.

Taramalı tünelleme mikroskopu (STM) bilim insanlarının nanometre parçacıklarını, atomları

ve küçük moleküllerini görüntülemesine ve manipüle etmesine olanak tanıyan bir dizi araçtır.

Gelişim mucitlerinden Gerd Binig ve Heinrich Rohrer 1986'da Nobel Fizik Ödülünü kazandı.

Atomik kuvvet mikroskopları (AFM), mekanik bir prob ile yüzeyi "hissetmek" yoluyla bilgi

toplamaktadır. Gerd Binig, Calvin Quate ve Christoph Gerber ile birlikte 1986'da ilk AFM'yi

geliştirdi. Bu mikroskoplar, hassas mekanik taramayı mümkün kılmak için küçük ancak kesin

hareketlerden yararlanır.

Openafm web sitesi Kumagai Araştırma Grubu

Solda AFM(Atomik kuvvet mikroskopları) ve sağda Taramalı tünel mikroskopu (STM) çalışma

prensipleri gösterilmektedir.

Modern nanosistem ve nanoteknoloji oldukça yeni olmasına rağmen, yüzlerce yıldır nano

ölçekli malzemeler kullanılmıştır. Yüzlerce yıl önce ortaçağ kiliselerinin vitray pencerelerinde

alternatif büyüklükte altın ve gümüş parçacıklar renkler yarattı. Sanatçılar, o zaman bu güzel

sanat eserlerini yaratma sürecinin aslında birlikte çalıştıkları materyallerin kompozisyonunda

değişikliklere neden olduğunu bilmiyorlardı.

Günümüz bilim insanları ve mühendisleri artık bu icat edilen yeni mikroskop ve teknolojilerin

ışığında materyalleri nano ölçekte kasıtlı olarak, yüksek mukavemette, hafif ağırlıkta, ışık

spektrumunun artan kontrolü ve büyük ölçekli muadillerine kıyasla daha fazla kimyasal

tepkime vermesini sağlama gibi avantajlı özelliklerde üreterek kullanabiliyorlar.

Nano Ölçeğinde İmalat

Nano ölçeğe göre üretim “nanofabrikasyon” olarak bilinir. Nano üretim, nano ölçekli

materyallerin, yapıların, cihazların ve sistemlerin ölçeklendirilmiş, güvenilir ve düşük maliyetli

üretimini içerir. Ayrıca, yukarıdan aşağıya süreçlerin ve giderek daha karmaşıklaşan aşağıdan

yukarıya çıkarma veya kendi kendine montaj süreçlerinin araştırılması, geliştirilmesi ve

entegrasyonunu içerir.

Daha basit terimlerle nano üretim, gelişmiş malzemeler ve yeni ürünler üretmek için yol açar.

Yukarıda belirtildiği üzere, nano üretim için iki temel yaklaşım, yukarıdan aşağıya (top-down)

veya aşağıdan yukarıya (bottom-up) şeklindedir. Yukarıdan aşağıya imalat büyük parçacıkları

nano ölçeğe kadar indirir; biri, bir blok ahşaptan bir model uçak kazıyarak oluşturma

yönteminde olduğu gibi. Bu yaklaşım daha fazla miktarda malzeme gerektirir ve fazla

malzeme atılırsa atıklara neden olabilir. Nano üretim için aşağıdan yukarıya yaklaşımında,

atomik ve moleküler ölçekli bileşenlerden inşa ederek ürünler üretilir; bu da zaman alıcı

olabilir. Bilim insanları, belirli molekül ölçekli bileşenleri bir araya getirerek kendiliğinden

"sırayla kendilerini toparlayıp" sıralı yapılara dönüştürme konseptini keşfediyorlar.

EPmagazine web sitesi

Nanofabrikasyonda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya üretim prosesleri

Nanofabrikasyonda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya kategorilerinde, nano üretimi

etkinleştirecek yeni süreçlerin sayısı giderek artmaktadır. Bunların arasında şunlar bulunur:

• Kimyasal buhar birikimi; kimyasalların çok saf, yüksek performanslı filmler üretmek için

reaksiyona girdiği bir süreçtir.

• Moleküler ışın epitaksi; yüksek kontrollü ince filmlerin,

• Atomik katmanlı epitaksi; bir yüzey üzerine bir atom kalınlığında tabakaların çökeltilmesi

için bir işlemdir.

• Daldırma kalem litografisi, bir atomik kuvvet mikroskopunun ucunun bir kimyasal sıvıya

"batırıldığı" ve daha sonra kâğıda eski moda bir mürekkep kalemi gibi bir yüzeye "yazmak"

için kullanılan bir işlemdir.

• Nano baskı litografi, bir yüzey üzerine "damgalama" veya "basma" ile nanoküre

özelliklerinin oluşturulması için bir işlemdir.

• Roll-to-roll işleme, ultra ince plastik veya metal rulo üzerinde nanometre aygıtları üretmeyi

sağlayan yüksek hacimli bir işlemdir.

• Kendi kendine montaj, bir grup bileşenler grubunun düzenli bir yapı oluşturmak üzere bir

araya geldiği süreci tanımlar.

Malzemelerin yapıları ve özellikleri bu nanofabrikasyon işlemleri ile geliştirilebilir. Bu tür

nanomalzemeler, diğer özelliklerin yanı sıra, daha güçlü, daha hafif, daha dayanıklı, su itici,

anti-reflektif, kendi kendini temizleyen, mor ötesi veya kızılötesi dirençli, antifog,

antimikrobiyal, çizilmeye karşı dirençli veya iletken olabilir. Bu özelliklerden yararlanan

günümüzün nanoteknolojisi ile etkinleştirilmiş ürünler, beyzbol sopaları ve tenis raketleri ile

ham petrolün rafine edilmesi, biyolojik ve kimyasal toksinlerin aşırı hassas algılanması ve

tanımlanması için kullanılan katalizörlere kadar uzanmaktadır.

Nano ölçekli transistörler bir gün bugün kullanılanlardan daha hızlı, daha güçlü ve daha fazla

enerji verimli bilgisayarlara neden olabilirler. Nanoteknoloji ayrıca, bilgi depolama

kapasitesini katlanarak arttırma potansiyeline sahiptir. Yakında bilgisayarınızın tüm belleği

tek bir minik çipte saklanabilecektir. Enerji alanında nanoteknoloji yüksek verimli, düşük

maliyetli pilleri ve güneş pillerini mümkün kılacaktır.

NANOTEKNOLOJİ FAYDALARI VE UYGULAMALARI

20 yıldan uzun süren temel nanobilim araştırmalarından sonra nanoteknoloji uygulamaları,

nanoteknolojinin topluma fayda sağlama sözü üzerine hem beklenen hem de beklenmedik

yollarla ilerlemektedir.

Nanoteknoloji birçok teknoloji ve endüstri sektöründe bilgi teknolojileri, vatan güvenliği, tıp,

ulaşım, enerji, gıda güvenliği ve çevre bilimi ve diğer pek çok alanda önemli ölçüde

iyileştirmeye, hatta devrim yaratmaya yardımcı oluyor. Ayrıca nanoteknoloji yüzeyleri

kendiliğinden temizlemek ve uzun süre temiz kalabilmek için de kullanılmaktadır.

Nanoteknoloji bugün kozmetik, güneşten koruyucular, giyim ve diğer birçok tüketici

ürünlerinde bulunabilir. Aşağıda, nanoteknolojinin faydaları ve uygulamalarıyla hızla büyüyen

bir listenin örnekleri bulunmaktadır.

Gündelik Materyal ve Süreçlerdeki Uygulamaları

Materyal yapılarında spesifik özelliklere erişimi çok küçük ölçeklerdeki nanoteknolojinin pek

çok özelliğinden faydalanılarak sağlamak mümkündür. Böylece materyal bilimi araç setini

büyük ölçüde genişletir. Nanoteknolojiyi kullanarak materyaller, diğer pek çok özelliği

arasında etkili bir şekilde daha güçlü, daha hafif, daha dayanıklı, daha reaktif, daha iyi elektrik

iletkenleri yapılabilir. Birçok günlük ticari ürün şu an piyasada ve günlük kullanımda nano

ölçekli materyal ve proseslere dayanmaktadır:

• Kumaşlara nanometre katkılar veya yüzey işlemleri, kişisel vücut zırhlarında hafif balistik

enerji saptırması sağlayabilir veya buruşukluk, lekelenme ve bakteri gelişimine karşı

koymalarına yardımcı olabilir.

• 1990’lı yılların başında Almanya’nın Bonn Üniversitesi’nden Wilhelm Barthlott, nilüfer

yapraklarının mikroskobik tasarımını gün ışığına çıkardı. Dışarıdan bakıldığında fark

edilmemesine karşın, bitki mikroskobik ölçüde son derece özel bir yüzey tasarımına sahiptir.

Buna göre nilüfer yaprakları 5-10 mikrometre (milimetrenin binde biri) yüksekliğinde ve

birbirinden 10-15 mikrometre mesafede olan çok küçük tümseklere sahip. Sonuçta ortaya

0.1 mikrometre genişliğinde, tellerden oluşan engebeli bir yüzey çıkıyor. Bu tepeler

balmumuyla kaplı. Bu bozuk yüzey şekline sahip olması sayesinde su damlacıkları yüzeyle

tam bir temas sağlayamıyor ve kendi ağırlıklarıyla aşağıya doğru akıyorlar (bilgilerdünyası

web sitesi).

Nilüfer çiçeğinin bu özelliği ona bakteri ve mikroplara karşı önemli bir koruma da sağlıyor.

Yağmur damlalarıyla temizlenen yapraklarda mikroskobik ölçekteki canlılar bile tutunamıyor.

Böylece bitki hem toz ve kirden, hem de hastalıklardan uzak kalıyor (roboturka web sitesi).

• Gözlükler, bilgisayar ve kamera görüntüleri, pencereler ve diğer yüzeylerdeki net nano

ölçekli filmler, suya ve kalıntıya karşı etkili, antireflektif, kendiliğinden temizlenebilir, mor

ötesi veya kızılötesi ışığa karşı, antifog, antimikrobiyal, çizilmeye karşı dirençli veya iletken

olabilir.

Technicaltextile web sitesi

Nilüfer çiçeğinin su tutmayan tasarım ve yapısını gösteren figür.

• Nano ölçekte materyaller, sağlıkta izleme, güneş enerjisi yakalama ve hareketle enerji

toplama kabiliyetleri olan esnek Nane ölçek sensörler ve elektronik donanımlı yıkanabilir,

dayanıklı "akıllı kumaşlar" ı da etkinleştirmeye başlıyor.

• Otomobil, kamyon, uçak, tekne ve uzay aracının hafifletilmesi önemli ölçüde yakıt tasarrufu

sağlayabilir. Polimer kompozit malzemelerdeki nano ölçekli katkı maddeleri beyzbol

sopalarında, tenis raketlerinde, bisikletlerde, motosiklet kasklarında, otomobil parçalarında,

bavullarda ve elektrikli alet gövdelerinde kullanılmakta ve hafif, sert, dayanıklı ve esnek

olmaktadır. Karbon nanotüp levhaları şimdi yeni nesil hava araçlarında kullanılmak üzere

üretilmektedir. Örneğin, hafiflik ve iletkenlik kombinasyonu onları elektromanyetik koruma

ve termal yönetim gibi uygulamalar için ideal hale getirir.

• Enzimlerin nano-biyomühendisliği, selülozun ahşap talaşı, mısır sapları, fermente

edilmemiş uzun ömürlü otlar, vb.den yakıt için etanole dönüştürülmesini amaçlamaktadır.

Selülozik nanomalzemeler, elektronik, inşaat, paketleme, gıda, enerji, sağlık, otomotiv ve

savunma da dahil olmak üzere geniş bir endüstriyel sektör serisinde potansiyel uygulamalar

sergilemiştir. Selülozik nanomalzemelerin, diğer birçok nanomalzemeye göre daha ucuz

olduğu ve diğer özelliklerin yanı sıra etkileyici dayanıklılık / ağırlık oranı olacağı

öngörülmektedir.

• Otomotiv ürünlerinde Nano-mühendislik malzemeleri yüksek güçlü şarj edilebilir pil

sistemleri, sıcaklık kontrolü için termoelektrik malzemeler, daha düşük yuvarlanma direncine

sahip lastikler, yüksek verimlilik / düşük maliyetli sensörler ve elektronik, ince film akıllı

güneş panelleri ve daha temiz egzoz için yakıt katkılarını da içeren geniş bir alandır.

• Nanoyapılı seramik kaplamalar, makine parçaları için geleneksel aşınmaya dayanıklı

kaplamalara kıyasla çok daha fazla tokluk sergiler. Ayrıca Nanoteknoloji özellikli yağlayıcılar

ve motor yağları aşınma ve yıpranmayı önemli ölçüde azaltır. Bu da, hareketli parçaların

ömrünü elektrikli el aletlerinden endüstriyel makinelere kadar önemli ölçüde uzatabilir.

• Nanoparçacıklar kimyasal reaksiyonları artırmak için katalizör olarak giderek daha fazla

kullanılmaktadır. Bu, arzulanan sonuçları üretmek, paradan tasarruf etmek ve kirleticileri

azaltmak için gerekli katalitik malzemelerin miktarını azaltır. İki büyük uygulama petrol

arıtımında ve otomotiv katalitik konvertörlerdir.

• Nano-mühendislik malzemeleri, yağ giderme maddeleri ve leke çıkarıcılar gibi üstün ev

ürünleri üretir: Çevre sensörleri, hava temizleyicileri ve filtreler, antibakteriyel temizleyiciler,

özel boyalar ve sızdırmazlık ürünleri, kir ve izlere dirençli kendini temizleyen ev boyaları.

• Performansı artırmak için nano ölçekli malzemeler de çeşitli kişisel bakım ürünlerine dahil

edilmektedir. Nano ölçekli titanyum dioksit ve çinko oksit, güneşten koruyuculuk amacıyla

yıllardır güneşten korunma sağlamak için kullanılırken cildi görünmez kılmaktadır.

Elektronik ve IT Uygulamaları

Nanoteknoloji, bilgi işlem ve elektronik alanlarındaki ilerlemelere büyük katkıda

bulunmuştur. Bu, daha büyük ve daha fazla miktarda bilgiyi yönetebilen ve depolayabilen

daha hızlı, daha küçük ve daha taşınabilir sistemlere yol açmaktadır. Sürekli gelişen bu

uygulamalar şunları içerir:

• Transistorlar, tüm modern bilgisayar işlemlerini mümkün kılan temel anahtarlar,

nanoteknoloji ile çok daha küçük hale gelmiştir. Yüzyılın başında tipik transistor boyutu 130

ila 250 nanometre idi. 2014'te Intel 14 nanometre transistor oluşturdu. IBM 2015'te ilk yedi

nanometre transistörü oluşturdu ve sonra Lawrence Berkeley National Lab 2016'da bir

nanometre transistor gösterdi. Daha küçük, daha hızlı ve daha iyi transistörler,

bilgisayarınızın tüm belleğinin tek bir minik çipte saklanabileceği anlamına gelebilir.

• Manyetik rasgele erişimli bellek (MRAM) kullanarak bilgisayarlar neredeyse anında

"önyükleme" yapabilecekler. MRAM, nanometre ölçeğinde manyetik tünel kavşaklarıyla

etkinleştirilir ve bir sistem kapanırken veriyi hızlı ve etkili bir şekilde kaydedebilir veya

özgeçmiş özelliklerini etkinleştirir.

• Ultra yüksek çözünürlüklü ekranlar ve televizyonlar daha fazla enerji tüketirken daha canlı

renkler üretmek için kuantum noktalar kullanılmaktadır.

• Esnek, bükülebilir, katlanabilen, sarılabilir ve gerilebilir elektronik parçalar çeşitli sektörlere

ulaşmaktadır ve giyilebilir ürünler, tıbbi uygulamalar, havacılık uygulamaları ve İnternet gibi

çeşitli ürünlere entegre edilmektedir. Esnek elektronikler, örneğin akıllı telefon ve e-okuyucu

ekranlardaki uygulamalar için yarı iletken nanomembranlar kullanılarak geliştirilmiştir.

Grafen ve selülozik nanomalzemeler gibi diğer nanomalzemeler, giyilebilir ve "dövme"

sensörlerini, giyim üzerine dikilebilen fotovoltaik malzemeleri ve rulo haline getirilebilen

elektronik kâğıdı etkinleştirmek için çeşitli esnek elektronik türleri için kullanılmaktadır. Düz,

esnek, hafif, kırılgan olmayan, yüksek etkili elektronik üretmek sayısız akıllı ürüne kapı açıyor.

Ecouterre web sitesi Btnet web sitesi

Giyilebilir, bükülebilir esnek nanoteknolojik ürünler

• Diğer bilgisayar ve elektronik ürünler; akıllı telefonlar ve başparmak sürücüler için Flash

bellek yongaları, ultra duyarlı işitme cihazları, klavyelerde ve cep telefonu muhafazalarında

antimikrobiyal / antibakteriyel kaplamalar, RFID / akıllı kartlar / akıllı ambalajlar için basılı

elektronik için iletken mürekkepler ve e-kitap okuyucuları için esnek ekranlar.

• Nanopartikül bakır süspansiyonları, kurma işleminde elektroniklerin sigortalanması için

yaygın olarak kullanılan kurşun esaslı lehim ve diğer zararlı maddelere karşı daha güvenli,

daha ucuz ve daha güvenilir bir alternatif olarak geliştirilmiştir.

Enerji Uygulamaları

Nanoteknoloji, geleneksel enerji kaynaklarında uygulama buluyor ve dünyanın artan enerji

taleplerini karşılamaya yardımcı olmak için alternatif enerji yaklaşımlarını büyük ölçüde

geliştiriyor. Birçok bilim adamı, enerji tüketimini azaltma ve çevre üzerindeki toksisite

yüklerini azaltma vasıtaları ile birlikte temiz, uygun fiyatlı ve yenilenebilir enerji kaynakları

geliştirme yollarını araştırmaktadır.

• Nanoteknoloji, daha iyi kataliz ile ham petrol malzemelerinden yakıt üretiminin verimliliğini

arttırmaktadır. Ayrıca, daha verimli yanma ve azaltılmış sürtünme sayesinde araçlarda ve

enerji santrallerinde yakıt tüketiminde azalma sağlıyor.

• Nanoteknoloji, off-shore operasyonlarda nanoteknoloji ile etkin gaz kaldırma valflerinin

kullanılması veya mikroskopik kuyu petrol boru hattı kırığını tespit etmek için

nanopartiküllerin kullanımı yoluyla, petrol ve gaz çıkarımına da uygulanmaktadır.

• Araştırmacılar, karbondioksit ile santral egzozlarını ayırmak için karbon nanotüp

"temizleyiciler" ve membranları araştırıyorlar.

• Hâlihazırda elektrik şebekesinde kullanılan yüksek gerilim tellerine göre daha düşük direnç

gösterecek karbon nanotüpleri içeren teller araştırmacılar tarafından geliştirilmekte ve

böylece iletimde güç kaybı azaltılmaktadır.

• Nanoteknoloji, günışığını daha verimli bir şekilde elektriğe dönüştürmek için güneş

panellerine dahil edilebilmekte ve gelecekte ucuz güneş enerjisi üretimini sağlamaktadır.

Nanoyapılı güneş pilleri, baskıya benzer imalat süreçlerini kullanabildikleri ve ayrı

panellerden ziyade esnek rulolar halinde yapılabildikleri için, imalatı daha ucuza ve kurulumu

daha kolay olabilir. Yeni araştırmalar, gelecekteki güneş dönüştürücülerin bile "boyanabilir"

olabileceğini önermektedir.

Businesskorea web sitesi science.howstuffworks web sitesi

Nano yapılı malzemeler kullanılarak tasarlanmış yüksek verimliliğe sahip esnek, kolay fabrike

edilebilir, şeffaf güneş panelleri

• Nanoteknoloji, daha hızlı şarj, daha verimli, daha hafif, daha yüksek bir güç yoğunluğu ve

daha uzun elektrik şarjı tutan yeni pil çeşitleri geliştirmek için de zaten günümüzde

kullanılmaktadır.

• Yeldeğirmeninin üretebileceği elektrik miktarını artırmak için diğer bıçaklara göre daha

uzun, daha güçlü ve daha hafif yel değirmeni bıçakları yapmak için bir epoksi içeren karbon

nanotüpler kullanılmaktadır.

• Enerji toplama alanında araştırmacılar, bilgisayar kasalarına ve ışığa, sürtünmeye veya

giyim eşyalarına dokunan vücut ısısından hareket halinde kullanılabilir enerji üretmek üzere

esnek piezoelektrik nanotellerin üzerine monte edilebilen ince film güneş elektrik panelleri

geliştiriyor ve enerjinin mobil elektronik cihazlara iletilmesini sağlıyorlar. Benzer şekilde,

bilgisayarlar, otomobiller, evler, enerji santralleri vb. atık sıcağını kullanılabilir elektrik

enerjisine dönüştürmek için çeşitli nanobilime dayalı seçenekler aranıyor.

• Enerji verimliliği ve enerji tasarrufu sağlayan ürünlerin sayısı ve uygulama türü artmaktadır.

Yukarıda belirtilenlere ek olarak, nanoteknoloji daha verimli aydınlatma sistemlerine olanak

tanımaktadır: Ulaştırma sektörü için daha hafif ve daha güçlü araç şasi malzemeleri, gelişmiş

elektroniklerde daha düşük enerji tüketimi, cam için ışığa duyarlı akıllı kaplamalar.

Çevresel İyileştirme

Nanoteknolojinin enerji verimliliğini artırmaya yönelik yollara ek olarak, çevresel kirleticilerin

tespit edilmesine ve temizlenmesine de yardımcı olabilecek birçok yol vardır:

• Nanoteknoloji, sudaki kirliliklerin hızlı, düşük maliyetli tespiti ve işlenmesi yoluyla uygun

fiyatlı temiz içme suyu ihtiyacını karşılamaya yardımcı olabilir.

• Mühendisler, enerji açısından verimli bir tuzdan arındırma için nanoporlu ince bir film

membranı geliştirdiler. Bu molibden disülfür (MoS2) membran mevcut geleneksel filtrelerden

iki ila beş kat fazla su filtreledi.

• Nanopartiküller, endüstriyel su kirleticilerini, kirleticileri zararsız hale getiren kimyasal

reaksiyonlar yoluyla yeraltı suyunda temizlemek için geliştirilmektedir. Bu işlem, suyun

zeminden pompalanmasını gerektiren yöntemlerden daha az maliyetli olacaktır.

• Araştırmacılar, temizleme uygulamaları için ağırlığının 20 katını yağda emebilen küçük

potasyum manganez oksit tellerinden dokunmuş nanofabrik bir "kâğıt havlu" geliştirdiler.

Araştırmacılar ayrıca petrol sızıntılarına manyetik su itici nanoparçacıklar yerleştirdiler ve

mıknatısları kullanarak suyu yağdan mekanik olarak uzaklaştırdılar.

• Birçok uçak kabini ve diğer hava filtresi türleri, fiber materyalin gözeneklerinin boyutundan

daha büyük partikülleri tutan nanometre boyutlu gözeneklerin oluşturduğu "mekanik

filtrasyona" izin veren nanoteknoloji temelli filtrelerdir. Filtreler ayrıca kokuları gideren odun

kömürü katmanları içerebilir.

dahle-office web sitesi

Büyük partikülleri tutan nanometre boyutlu gözeneklerin oluşturduğu filtreler

• Nanoteknoloji ile etkinleştirilmiş sensörler ve çözümler, havada ve topraktaki kimyasal veya

biyolojik ajanların her zamankinden daha yüksek hassasiyetle tespit edilebilmesini ve

tanımlanabilmesini sağlar. Araştırmacılar, benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerini çeşitli

zehirli alan iyileştirmeleri için nasıl uygulayacaklarını belirlemek için, mezoporöz destekler

(SAMMS ™), dendrimerler ve karbon nanotüpler üzerindeki kendiliğinden birleştirilmiş mono

tabakalar gibi parçacıkları araştırıyorlar. NASA, itfaiyecilerin yangınlardaki hava kalitesini

izlemek için kullanabileceği bir akıllı telefon uzantısı olarak bir başka sensör geliştirdi.

Nanoteknolojinin Taşımacılığa Faydaları

Nanoteknoloji, daha hafif, daha güvenli, daha akıllı ve daha verimli araçlar, uçak, uzay aracı

ve gemilerin inşasına ve bakımına katkıda bulunacak çok fonksiyonlu malzemelerin

geliştirilmesini vaat ediyor. Buna ek olarak nanoteknoloji, ulaşım altyapısını iyileştirmek için

çeşitli araçlar sunar:

• Yukarıda da belirttiğimiz üzere, otomotiv ürünlerindeki nano-mühendislik materyalleri,

polimer nanokompozitlerin yapısal kısımlarının, yüksek güçlü şarj edilebilir pil sistemlerinin,

sıcaklık kontrolü için termoelektrik malzemelerin, daha düşük yuvarlanma dirençli lastiklerin,

yüksek verimlilik ve düşük maliyetli elektronik sensörlerin, ince film akıllı güneş panellerinin

ve yakıt katkı maddeleri ile temiz egzoz ve katalitik konvertörlerin geliştirildiği geniş bir

alanda fayda sağlamaktadır. Alüminyum, çelik, asfalt, beton ve diğer çimentolu materyallerin

Nano-mühendisliği ve geri dönüştürülmüş formları yaşam döngüsü maliyetlerini düşürürken

otoyol ve ulaştırma altyapı bileşenlerinin performansını, esnekliğini ve ömrünü uzatma

açısından mükemmel faydalar sağlamaktadır. Yeni sistemler, kendiliğinden onaran yapılar

veya enerji üretme veya iletme kabiliyeti gibi geleneksel altyapı malzemelerine yenilikçi

kabiliyetler kazandırabilir.

• Nano ölçekli sensörler ve cihazlar, köprülerin, tünellerin, rayların, park yapılarının ve

kaldırımların zaman içindeki yapısal bütünlüğünü ve performansını maliyet etkin bir şekilde

sürekli olarak izleyebilir. Nanoelektronik ile sağlanan nano ölçekli sensörler, iletişim cihazları

ve ayrıca, sürücülerin şerit konumunu korumasına, çarpışmaları önlemeye, tıkanıklığı

önlemek için seyahat rotalarını ayarlamalarına ve sürücülerin arabirimlerini geliştirmelerine

yardımcı olmak için araç bazlı sistemler ile iletişim kurabilen gelişmiş bir ulaşım altyapısını da

destekleyebilir.

• "Oyun değişimi" ile nanoteknolojinin etkin, hafif, yüksek mukavemetli materyallerin

kullanımından sağladığı faydalar hemen hemen her ulaşım aracı için geçerli olacaktır.

Örneğin, bir ticari jet uçağının ağırlığının yüzde 20 azaltılmasının yakıt tüketimini yüzde 15

oranında azaltabileceği tahmin ediliyor. NASA için yapılan bir ön analiz, geleneksel

bileşiklerin iki katı mukavemetli gelişmiş nanomalzemelerin geliştirilmesi ve kullanılmasının

fırlatma aracının brüt ağırlığını yüzde 63 oranında azaltacağını gösterdi. Bu, yalnızca uzay

aracı yörüngede başlatmak için gerekli olan büyük miktarda enerji tasarrufu sağlamakla

kalmaz aynı zamanda, yörüngedeki araçların tek aşamalı olarak geliştirilmesini sağlayarak

masrafları daha da azaltabilir, görev güvenilirliğini artırabilir ve alternatif tahrik kavramlarına

kapı açabilir.

Tıbbi ve Sağlık Uygulamaları

Nanoteknoloji, hâlihazırda klinisyenlere sunulan tıbbi araçları, bilgiyi ve terapileri

genişletiyor. Nanoteknoloji, nanoteknolojinin tıpta uygulanması, hastalıkların önlenmesi,

teşhisi ve tedavisi için kesin çözümler üretmek için biyolojik olguların doğal boyutuna

dayanır. Aşağıda, bu alandaki son gelişmelere bazı örnekler verilmiştir:

• Ticari uygulamalar: Altın nanopartikülleri, nükleik asitlerin hedeflenen sekanslarının

saptanması için problar olarak adapte edilmiş ve altın nanopartiküller de kanser ve diğer

hastalıklar için potansiyel tedavi olarak klinik olarak araştırılmaktadır.

• Nanoteknoloji ile etkinleştirilen daha iyi görüntüleme ve tanı araçları daha erken tanı, daha

kişiselleştirilmiş tedavi seçenekleri ve daha iyi terapatik başarı oranları sağlar.

• Nanoteknoloji araştırmacıları, aterosklerozun teşhisi ve tedavisi ya da arterlerdeki plak

oluşumu üzerine çalışıyor. Bir teknikte, araştırmacılar vücudun plak sıkışmasına yardımcı olan

HDL (yüksek yoğunluklu lipoprotein) olarak bilinen "iyi" kolesterolünü taklit eden bir

nanopartikül oluşturdu.

• Gelişmiş katı haldeki nanopor materyallerin tasarımı ve mühendisliği, düşük maliyetli ve

yüksek hızda tek bir molekül bulgusunu minimal numune hazırlama ve enstrümantasyonla

mümkün kılan yeni gen sıralama teknolojilerinin geliştirilmesine izin verebilir.

• Nanoteknoloji araştırmacıları, bir nanopartikülün kapsülleyebileceği veya ilacın doğrudan

kanser hücrelerine verilmesine yardımcı olan ve sağlıklı dokuya zarar verme riskini en aza

indirgeyen çeşitli farklı terapötikler üzerinde çalışmaktadır. Bu, doktorların kanseri tedavi

etme biçimini değiştirme ve kemoterapinin toksik etkilerini önemli ölçüde azaltma

potansiyeline sahiptir.

• Rejeneratif tıp için nanoteknolojinin araştırılması, kemik ve sinir dokusu mühendisliği gibi

çeşitli uygulama alanlarını kapsar. Örneğin; yeni malzemeler, insan kemiğinin kristal mineral

yapısını taklit etmek üzere veya diş uygulamaları için bir restoratif reçine olarak kullanılmak

üzere tasarlanabilir. Araştırmacılar, bugün büyüyen organ nakli için karmaşık dokuları

büyütmenin yollarını ararlarken aynı zamanda spinal kord yaralanmalarının onarılmasına

yardımcı olmak için grafen nanoribbon kullanmanın yollarını da araştırıyor. Ön araştırma,

nöronların iletken grafen yüzeyinde iyi büyüdüğünü göstermektedir.

• Nanotıp araştırmacıları, nanoteknolojinin aşıları iyileştirmek için iğne kullanmadan aşı

sunumunu da içeren yolları araştırmaktadır. Araştırmacılar ayrıca, daha fazla alanı

kapsayacak ve her sene daha az kaynak harcayacak yıllık grip aşısı için evrensel bir aşı iskelesi

yaratmaya çalışıyorlar.

• Son olarak Nanoteknolojideki son gelişmelerin kullanılması ile ortaya çıkan,

nanobiyoteknoloji alanında tanı ve teşhisleri kolaylaştıracak olan tez çalışmamda

gerçekleştirdiğim teknolojilerden biri olan hasta başı nokta analiz cihazları (POC) da yine

hayatı kolaylaştıran nano bilimin kullanıldığı önemli alanlardan bir tanesi olarak

görülmektedir.

Hasta başı POC cihazlar, laboratuvar şartlarında uzun sürede yapılan testlerin hızlı ve yüksek

duyarlılıkta yapılmasını sağlayarak erken teşhise olanak sağlamaktadır.

Disiplinler arası çalışan araştırmacıların bir araya gelmesi ile ortaya çıkan nanoteknolojik

cihaz ve yöntemlerin insan sağlığının tedavi ve teşhis aşamalarında kullanılabilmesi bize nano

boyuttaki taneciklerin ve malzemelerin inanılmaz etkilerini göstermektedir. Aşağıda

TUBİTAK, Boston Üniversitesi Kanser Bakımında Gelecek Teknolojiler Merkezi ve İzmir Katip

Çelebi Üniversitesinin katkıları ile gerçekleştirdiğimiz “Serviks (Rahim Ağzı) Kanserinin POC

Erken Moleküler Teşhisi İçin 3D Kağıt Bazlı Analitik Mikroakışkan Çip” adlı çalışma bu

alanda önek olarak detaylandırılmaktadır.

Serviks kanseri dünyada kadınlar arasında görülen kanser çeşitleri arasında en çok görülen

ikinci kanser tipidir ve özellikle 25-65 yaş arası kadınlarda mortaliteyle sonuçlanan kanser

çeşitleri içinde ikinci sırada yer almaktadır. Bir kanserin dispilaziden invazif karsinoma

ilerlemesi için bir dizi hücresel değişim gerçekleşmelidir. Genital HPV’lerin bu temel

değişiklikleri içeren onkojenezleri taşımasından bu yana bugün, HPV Servik kanserinde en

önemli risk faktörü olarak kabul edilmiştir. HPV belirleme ölçümleri tamamıyla viral nükleik

asit tayinine dayanmaktadır.

Bu çalışma kapsamında, küresel sağlık uygulamaları için “Nokta Analizleri Teknolojisi” (Point

of care (POC)) cihazları üretilmiştir. HPV virüslerinin belirlenmesinde hızlı, maliyeti düşük,

portatif ve hatasız tayin yapabilen 3D mikroakışkan cihazların geliştirilmesi ile Serviks

kanserinin erken teşhisi kolaylaşmıştır.

Araştırmada, serviks kanserinin etiyolojik ajanı insan papiloma virüsü (HPV) 18 ve 16’nın

ekstraksiyonu, enzimsiz amplifikasyonu ve teşhisi için nokta analizlerinde (POC) kullanılan

kağıt tabanlı analitik mikroakışkan çip geliştirilmiştir.

Bu tez çalışmasının sonucu olarak serviks kanserinin moleküler düzeyde erken teşhisini

sağlayacak yeni bir nokta analiz (POC) ekstraksiyon ve teşhis cihazı elde edilmiştir. Analitik

tayin çipinde enzimsiz amplifikasyona olanak veren, manyetik mikroboncuk ve gümüş nano

parçacıklı primerler aracılığı ile özel bir modifikasyon tekniği kulanılmıştır. Bu düşük maliyetli

POC cihaz 30 dakika içerisinde HPV DNA’sını çok düşük tayin değerlerini teşhis ederek,

doktorun hastasını aynı ziyarette hem teşhis edip hem de tavsiye ve tedavisine başlamasını

sağlamaktadır. Bu cihaz HPV’nin gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde kolayca tayininin

yapılabilmesi için çok büyük bir avantaj sağlamaktadır.

Burada, ayrıca kombine HPV formu için bir ekstraksiyon malzemesi ve onun kimyasal tek

basamak kullanımlı tampon çözeltisi geliştirilmiştir. Bu ekstraksiyon malzemesinin

mikroakışkan çipde kullanımı için tayin öncesinde akış hızları ve zamanları ayarlanmıştır.

Prensip olarak bu kâğıt ekstraksiyon malzemesi serviks hücrelerinin lizisi ile HPV

ekstraksiyonu sonucu DNA salınımını sağlamaktadır. Elde edilen bu DNA, hedef analitin

amplifikasyonu ve teşhisi için, tiyol bağlı gümüş nano parçacıklar ve streptavidin kaplı

manyetik mikro boncuklarla modifiye edilmiştir. Kâğıt tabanlı mikroakışkan cihazı elde etmek

için uygulanan tüm aşamaların dizaynı yapılmış ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Son

olarak wax yazıcı ve boşluk kanallar kullanılarak dizayn edilen kâğıt tabanlı mikroakışkan

tayin platformunun üretimi yapılmıştır. Mikroakışkan kağıt tabanlı analitik çip üretiminde

kalıpla basılmış grafit elektrot, kalem ucu grafit elektrot ile grafen ve grafenoksit modifiye

elektrot formları kullanılmıştır. Son olarak da kağıt cihaz 3 boyutlu formuna ulaştırılmak için

katlanarak birleştirilmiştir.

Altın ve Manyetik nano parçacıklı kâğıt tabanlı mikroakışkan cihazın çalışma prensibi

(Melike Karakaya)

Geleneksel olarak, mikroakışkan cihazlar HPV DNA sının, polimer zincir reaksiyonu ile

amplifikasyonu ve tayini için, enzim gerektirmektedir. Şu ana kadar literatürde, gelişmekte

olan ve gelişmiş ülkeler için kritik rol oynayan serviks kanserinin erken teşhisi için,

ekstraksiyon ve tayin ünitesinin tamamını içeren enzimsiz kâğıt tabanlı bir POC cihaz rapor

edilmemiştir.

Bu çalışmanın ışığında vücutta ve tüm canlı organizmalarda bulunan virüs vb. biyolojik

örneklerdeki nükleik asit biyomarkerların ekstraksiyonu ve amplifikasyonu ile kanser,

enfeksiyonel ve benzeri birçok hastalığının erken teşhis ve tanısının yanı sıra, hastalığın

değerlendirme, izleme ve tedavisinde etkin olacak düşük maliyetli, portatif, hassas ve kısa

zamanda cevap verebilen POC teşhisinde kullanılacak mikroakışkan cihazlar üretilebilecek ve

uygulamaları yapılabilecektir.

GELECEKTE NANOTEKNOLOJİ

Bugün, ülkemizin en yaratıcı bilim adamları ve mühendislerinin çoğu, yaşadığımız dünyayı

iyileştirmek için nanoteknolojiyi kullanmanın yeni yollarını buluyor. Bu araştırmacılar, atomik

ve moleküler düzeyde tasarlanan yeni materyallerin, yenilenebilir enerji kirliliğini harekete

geçirmek ve çevremizin temiz kalması için gerçekçi ve uygun maliyetli yöntemler sunduğu bir

dünya öngörüyor. Doktorlar hastalığı en erken safhalarında saptamakta, kanser, kalp

rahatsızlığı ve diyabet gibi hastalıkları daha etkin ve daha güvenli ilaçlarla tedavi edebilmeyi

öngörüyorlar. Hem askeri güçlerimizi hem de sivilleri konvansiyonel, biyolojik ve kimyasal

silahlardan korumak için yeni teknolojiler üretiyorlar. Önümüzde birçok araştırma zorluğu

olsa da, nanoteknoloji birçok alanda faydalı materyalleri üretmekte ve atılımlara işaret

etmektedir. Nanoteknoloji bilimsel araştırmaları moleküler seviyede başlatarak yeni fırsatlar

dünyası oluşturacaktır.

Umarım bu bilgiler, nanoteknolojinin tıp ve endüstri gibi birçok alanda devrim yaratacağı

çeşitli yollarla ilgili olarak dünyamıza biraz ışık tutmuştur. Gelecekte, Nanoteknolojinin

farkında olarak ve hayatımızın her alanında olumlu ve olumsuz etkilerini araştırarak

değerlendirmek, bugünkü teknolojiden çok daha ilerde yarının dünyasında, bizi çevreleyen

tehlikelere karşı ve bunun farkında olarak daha fazla güvenli bir hayat oluşturabilmek adına

bizler de nano boyutlarda katkılar sağlayabiliriz.

* Burada yer alan bilgiler ‘Büyüyen Nanoteknoloji ve Gelecek’ konusunda yeni nesil üretken gençliği bigilendirmek adına Ulusal

Nanoteknoloji Girişimi (NNI)’nin web sitesindeki bilgilerin çevirilmesi ve yeniden derlenmesiyle eklenen yeni bilgiler ışığında yazılarak

oluşturulmuştur.