Nano Teknoloji ve Uygulamaları

NANO TEKNOLOJİ
VE
UYGULAMALARI
1
1. GİRİŞ
İnsanoğlunun geçmişinden günümüze doğayı işleyebildiği oranda medenileştiğini ve refah
düzeyinin arttığını görmekteyiz. Özellikle yakın tarihimizde bilim ve teknolojilerde hızla kat
edilen mesafeler eskiye nazaran akıl almaz bir seviyeye ulaşmıştır. Önce 1800’lerde yaşanan
sanayi devrimi, ardından 1900’lerin başında otomotivde yaşanan büyük gelişmelerle otomotiv
devrimi, 1950’lerde ise fizikteki kuantum mekaniği kuramlarının ortaya çıkması ile beraber
bilişim ve bilgisayarda görülen inanılmaz hızlanmalar, bilişim devrimi diyebileceğimiz derece
önemli yeniliklerdir. Bu gibi gelişmeler oldukça insanoğlunun malzemeyle olan ilişkisi
gittikçe artmış ve malzeme teknolojisinin uluslararası gelişmişliğin temel bir göstergesi haline
geldiği gözler önündeki apaçık bir olgu olmuştur. Günümüzde yine devrim niteliğinde
olabilecek maddeyi atomik boyutlarda inceleyip işlemek fikri ve uygulamaları, bilim ve
teknolojiye yeni bir boyut kazandırmıştır. İşte yeni devrim ve gelecek yüzyılın teknolojisi
diye adlandırılan bu gelişmeler dönemi: nanobilim ve nanoteknoloji dönemidir.
Bilim ve teknolojilerde öncelikle var olanı anlamak ve incelemek, daha sonra ihtiyaca göre
yeni düzenlemeler ve keşifler yapmak temel bir içgüdüdür. Bu anlamda doğal olarak var olan
birçok sistem, eser ve olgu incelenmiş ve mükemmel verilere ulaşılmıştır, hatta ki sadece
doğadaki ve canlılardaki incelemeler, birçok teknolojik gelişmenin yol göstericisi olmuştur.
Zamanla daha hassas yapılan ölçümler ve uygulamalar sonucunda malzemelerin çok farklı ve
değişik sırları ortaya çıkmıştır. Özellikle biyolojik anlamda insan vücudunun mükemmel bir
çalışma ve işleme prensibine sahip olması, örneğin; vücut tarafından etkin silahlar olarak
hazırlanmış antikorlar; bu antikorların vücudu yabancı ve zararlı bir düşmana ‘antijene’ karşı
kanı korumaları, kendi kendini yenileyen sistemler gibi doğal olan mükemmel proseslerin
anlaşılması malzemelerin nano boyutta incelenmesiyle ortaya çıkmıştır ve bu olağanüstü
dizayn’ın moleküler boyutlardaki tasarımlarla meydana geldiği anlaşılmıştır. Aynı şekilde
doğada arıların kilometrelerce uzaklardan tekrar aynı yoldan dönmeleri, ipek böceğinin ipeği
hassas bir şekilde dokuması gibi birçok kusursuz işlem yine bu boyutlardaki gizemle
açıklanabilmektedir. Bu gibi örneklerden yola çıkarak ürettiğimiz malzemeleri mikro altı
boyutlarda incelemek merakı nanobilim ve nanoteknoloji kapısını sonuna kadar aralamıştır.
İnsanlık, 60 yıl içinde metre-milimetre büyüklüğünde malzemeyi kesici takımlarla işleyen ya
da yüksek sıcaklıklarda kalıplara dökerek ya da döverek şekillendiren imalat teknolojisinden,
atomsal düzeyde malzemeyi tasarlayıp yeni moleküller oluşturmaya yönelik bir imalat
yöntemine geçti ve nanoteknolojiyle tanıştı.
2
2. NANOTEKNOLOJİ
Nano bir ölçek, nanoteknoloji de o ölçekte geliştirilen teknolojiler anlamına geliyor, bu
yüzden nanobilim ve nanoteknoloji ile uğraşmak çok disiplinli bir durumdur; hedefi belirli bir
konu değil; işbirliği gerektiren, birçok araştırmayı içine alan geniş bir kapsama alanını
oluşturur. Nano milyarda 1 demek ve milyarda 1 ölçekle çalışmak demektir. Atomlarla ve
onların dizilişleriyle; malzemede, üretim tekniklerinde, yenilik yapmak ve ihtiyaca uygun
üstün özellikli yeni ürünler geliştirmek anlamına geliyor.
Nano sadece bir ölçü derecesi olduğu için nanoteknolojinin malzeme üretiminden başlayarak,
elektronik, manyetik, optik, mekanik, ve biyomedikal amaçlı işlemler gibi birçok disiplini de
kapsayan geniş bir uygulama alanı bulunmaktadır. Günümüzde kullanılan mühendislik
malzemelerinin birçok özelliği mikrometreden büyük boyuttaki iç yapılarından (tane, kristal)
kaynaklanmaktadır. Nano malzemeler ise, üstün özelliklerini, mikrometreden 10 ile birkaç
yüz kat daha küçük boyuttaki yapılara borçludurlar. Yakın zamanda bu alanda yapılan
çalışmalar, nano boyutlu malzeme, aygıt ve sistemlerin üretimi, karakterizasyonu ve
uygulamaları üzerinde yoğunlaşmıştır.[1]
Artık nanoteknoloji sayesinde süper kompüterlere mikroskop altında bakılabilecek, bir milyon
sinema filmi alabilen DVD’ler yapılabilecek, insan vücudunun içinde hastalıklı dokuyu bulup
iyileştiren, ameliyat yapan nano robotlar kullanılabilecek, insan beyninin kapasitesi ek nano
hafızalarla güçlendirilebilecek, birim ağırlık başına şuandakinden 50 kat daha hafif ve çok
daha dayanıklı malzemeler üretilebilecek. Yine günlük yaşamda kullanılan tekstil ürünleri
gibi ürünlerin değişebileceği gibi, uzay araştırmalarında ve havacılıkta da yeni roket ve uçak
tasarımlarının ortaya çıkması mümkün olacaktır. Bütün bu gelişmeler dünyayı yeniden
şekillendirebilecek bilimsel ve teknolojik devrim niteliğindedir. Yani yeni dönem, nanobilim
ve nanoteknoloji dönemi olarak başlamıştır.[1]
Nanoteknoloji nano ölçeklerde malzeme tasarlayıp üretmeyi, bu malzemelerden yeni
yöntemlerle aygıt, alet üretmeyi amaçlar. Bu bağlamda nanoteknolojide kullanılan yöntemler,
bilinen yöntemlerden çok farklı olabiliyor.
3
2.1 Nanoteknolojik Gelişmeler
Nanoteknoloji, malzemelerin, sistemlerin ve cihazların nano ölçekte şeklini ve boyutlarını
kontrol ederek tasarımının, simülasyonunun ve imalatının yapılması demektir. Atomik
ölçeklerde hassas mühendislik anlamına da gelen nanoteknoloji bu ölçeklerde işlenmiş
nesnelerin, insanların kullanabileceği bir hale gelebilmesi için sayıca çok olması
gerekmektedir. Bir ölçek olan nanometre, yaklaşık olarak yan yana gelen 3-4 atomdan
meydana gelir ve yine yaklaşık 100-1000 tane atom bir araya gelerek nano ölçeklerde bir
nesneyi oluşturur.[2]
20. yüzyılın başlarında maddenin temel yapı taşları, elektrik, elektronik ve optiksel özellikleri
hakkında farklı felsefik yorumlar ortaya atıldı. Bu konuda başta N. Bohr olmak üzere A.
Einstein, W. Heisenberg ve E. Schrödinger gibi bilim adamları bazı kuramlar ortaya attılar.
Kuantum fiziği olarak adlandırılan bu ön görülere göre maddeyi oluşturan parçacıklar,
örneğin elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranırlar. Bu şekilde atom altı
ölçeklerde belirsizlik kuramının geçerli olduğu ortaya çıktı. Bu temel öğelerden doğan
kuantum mekaniği sayesinde atom ve moleküller hakkındaki bilgi ve yorumlar daha gerçekçi
bir şekilde algılanıp yorumlandı. Dolayısıyla bilim ve ilgili teknolojiler hızla yükselen bir
ivme ile gelişme gösterdi. Kuantum mekaniği sayesinde katıların klasik parçacık kuramı
kullanarak hesaplanan bazı temel elektronik ve manyetik özelliklerinin neden gözlemlerden
büyük sapmalar gösterdiği açık bir şekilde görülmüş oldu.[13]
Klasik mekaniğin geçerli olduğu imalat proseslerinde malzemelerin atomsal yapısı, mekanik,
elektronik ve manyetik özellikleri ancak kuantum fiziğinin temel öngörüleri anlaşıldıktan
sonra daha net bir şekilde çözümlenmeye başlandı. Bu bilgiler ışığında daha hassas üretimler
yapılmaya başlandı. Yarı iletken malzemeler, özellikle silisyum teknolojisi önem kazanıp,
mikro elektronik sanayi hızla gelişme sağladı. Bilgisayarların ve bilişim teknolojilerinin
hayatın vazgeçilmez birer parçaları haline gelmeleri, mikroelektronik başta olmak üzere,
optoelektronik, fotonik gibi teknolojilerin gelişmesinde de önemli bir rol üstlendi. Ancak
bütün bu gelişmelerin yanında, bilgisayarın her alanda insan hayatına sunduğu imkân ve
teknolojik kolaylıklarla beraber, bu teknolojinin uygulanması farklı ve yeni problemleri de
ortaya çıkardı. Bu problemler; aygıtlarda meydana gelen gereksiz ve zararlı ısılar, yetersiz
bilgi depolama ve işleme kapasiteleri, aygıt ve cihaz elemanların boyutlarındaki büyük
hacimler sayılabilir. Bu durumda hem bu eksikliklerin iyileştirilmesi hem de daha hızlı ve
daha küçük bilgisayarları elde etme çabaları hızla devam etmekte.[3]
4
Günümüz uygulamalarında bilgisayarlarda kullanılan aygıtların boyutları 50 nanometrenin
altına kadar inerken nanoteknoloji; daha küçük boyutlara inildikçe elektronik aygıtların
işleyişindeki yarı-klasik fizik kuramlarının geçerliliğini yitirmesiyle, atom altı boyutların
önemini gün yüzüne çıkarmaktadır.
Yeni teknolojilerin birçok alanda başarıyla uygulanması, bilimle uğraşan insanları gün
geçtikçe daha küçük boyutlara inmeye, daha az yer kaplayan, daha az enerji harcayarak daha
hızlı çalışabilen aygıtlar ve sistemler geliştirmeye mecburi kılan bir durum haline gelmiştir.
Dolayısıyla atomları teker teker dizerek şekillendirme fikri nanoteknolojiyi tetiklemiştir.[4]
Şekil 2.1 Bir yüzey üzerine atomların teker teker dizilerek Atom Adam’ın yapılması[4]
Yapılan araştırmalar bir malzemenin boyutu küçüldükçe malzemeye ait yeni özelliklerin
ortaya çıktığını göstermektedir. Boyutlar nanometre ölçeklerine yaklaşırken malzemenin
fiziksel özellikleri kuantum mekaniğinin kontrolüne girmekte, elektron durumlarının fazı ve
enerji spektrumunun kesikli yapısı daha belirgin bir hal almaktadır. Daha da önemlisi,
malzemeyi oluşturan atom sayıları 100’ler düzeyine inince, atomsal yapının geometrisi, hatta
atom sayısının kendisi bile fiziksel özelliklerin belirlenmesinde etken rol oynuyor. Nano
ölçeklerdeki bir yapıya yeni eklenen her atomun fiziksel özelliklerde neden olduğu
değişiklikler, bu atomun cinsine, nano yapının türüne ve geometrisine bağlı olarak farklılık
gösteriyor. Örneğin, nano yapının iletkenliği, o yapıya tek bir atom eklense bile
değişebilmekte. Benzer şekilde, nano ölçeklerde atomlar arası bağ yapısı da değişikliğe
uğrayabilmekte; mekanik olarak malzeme güçlenirken ya da zayıflarken, elektronik olarak
iletkenlik özelliği tümüyle değişebilmektedir.[5]
Yine yarıiletken olarak bilinen ve çağımızın en önemli malzemesi olan silisyumdan yapılan
bir telin çapı nanometreye yaklaşırken tel iletken bir karakter sergilemeye başlamaktadır.
Diğer ilginç bir malzeme de karbon elementi.[5]
5
Karbonun organik maddelerdeki yaygınlığı ve vazgeçilmezliği düşünüldüğünde ve bütün
canlıların karbon esaslı bir hayata sahip olduğunu düşündüğümüzde, naoteknoloji açısından
karbon atomunun ne kadar önemli olduğu açıkça görülür. Karbonun nanoteknolojideki yeri ve
önemi ile ilgili ayrı bir başlık altında detaylı bilgi verilecektir. Karbon uzun zamandır grafit ve
elmasın alltropları arasındaki büyük farklılıklardan dolayı merak uyandırıcı bir elementti.
Yapıtaşını karbon atomunun oluşturduğu elmas kristali, bilinen en sert ve yalıtkan
malzemedir. Kurşun kalemlerden tanıdığımız grafit ise karbon atomunun yumuşak ve iletken
bir yapısı.[6]
Bu iki ürün arasındaki tek farkın atom dizilişlerinin olduğu düşünülürse, nanoteknolojinin
farklı dünyası anlaşılacaktır. İşte teknolojinin yeni taleplerine yanıt verebilen bu olağanüstü
özellikler, nanometre boyutlarında yapay malzeme sentezlenmesinin önemini gösteriyor.
Nanobilimin en büyük amacı, nanometre ölçekli yapıların analizlerini yaparak bu boyuttaki
nesnelerin, cihazların ve sistemlerin fiziksel özelliklerinin saptanması ve bu fiziksel
özelliklere göre nanometre ölçekli yapıların imalatı, bu yolla malzemelerin yenilenmesi ve
geliştirilmesi, nano ölçekli ve duyarlı cihazların geliştirilmesi, uygun yöntemler bulunarak
nanoskopik ve makroskopik dünya arasındaki bağın kurulmasıdır. [4]
Nano boyuttaki yapıların özelliklerini, makroskobik ölçekteki yapıların özelliklerini
inceleyen, ölçen yöntemlerle tam olarak belirlemek mümkün değildir. Nano ölçekteki
yapıların farklılıkları sadece ebatlarının küçüklüğü ile ilgili değil, ayrıca küçük ebatlarda
farklı fiziksel özelliklerin ortaya çıkması ile de ilişkilidir.[2]
Atomik ölçülere inildikçe kuantum özellikler daha belirgin bir hal almaktadır. Bunun en
önemli sonuçlarından birisi atomların geometrik yapılarının ve dizilişlerinin maddenin bazı
fiziksel özelliklerini etkilemesidir. Daha önce değindiğimiz gibi elmas ile kömürü birbirinden
ayıran özellik, elmasta karbon atomlarının düzlemsel bir tabaka yerine üç boyutlu bir kristal
oluşturacak şekilde dizilmeleri ve pozisyon almalarındandır. Dolayısıyla atom yapısı ve atom
sayıları aynı olan bu iki maddenin fiziksel özelliklerinin tamamen farklı olmasının sebebi
atom dizilişlerinin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde başka elementlerden
oluşmuş yapıların da boyutları küçülünce benzer şekilde makro yapıya göre çok farklı
özellikler göstermektedir.
6
Başka bir örnekte bizmut kristali ile bizmut nano teli incelendiğinde; bizmut kristali
makroskopik ebatta yarı metal bir malzeme karakteri gösterirken nanotel halinde bizmut yarı
iletken bir malzeme özelliği göstermeye başlamaktadır.[2]
Aynı atomlardan oluştuğu halde geometriler değişince biribirinden apayrı davranışa sahip iki
farklı malzeme karşımıza çıkmaktadır, üstelik her iki yapıda da atomların birbirlerine
bağlanma şekilleri de aynıdır. Bu örnekler bize maddenin elektronik özellikleri, optik
özellikleri gibi özelliklerinin boyutla değiştiğini göstermektedir. Bundan; malzemelerin
nanoölçekteki yapılarını kontrol etmeyi başarmakla birçok özelliği ve dolayısıyla işlevleri de
kontrol edilebilmiş olacağımız sonucunu çıkarabiliriz.[2]
2.2 Nanoteknolojinin Tarihçesi
Nano boyutta bir dünya olduğunu ilk defa ünlü Amerikalı fizikçi Richard Feynman (19181988) ortaya atmıştır. Feynman 1959 yılında bir konferansta ‘‘There is plenty of room at the
bottom’’ (Aşağıda daha çok yer var) başlıklı konuşmasında ilk defa nano boyutlardaki gizeme
değinmiştir. Feynman eğer atom ve molekül büyüklüklerde imalat yapılabilirse birçok yeni
keşiflerin ortaya çıkacağını bildirmiştir. [1]
Nanoteknolojinin başlangıcı olarak kabul edilen bu konuşmada nano boyutlarda uğraşların
olabilmesi için, öncelikle nano ölçekte ölçme ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesi gerektiği
vurgulanmıştır. Feynman’ın konuşmasından bazı dikkat çeken hususlar;
24 ciltlik Britannica ansiklopedisi bir toplu iğne başına yazılabilir
Küçük ölçeklerde motorlar
Biyolojik yapılardakine benzer üstün özellikli yapı ve sistemler
Minyatür bilgisayarlar
Atomlara hükmetme, onları yeniden düzenleme
Gibi ilk defa duyulup daha sonra keşfedilecek birçok yeni görüşlerden bahsetmiştir.
7
Şekil 2.2 Deve, toplu iğnenin deliğinden niye geçemesin? Micreon GmbH şirketinin yaptığı 2
mm boyunda, 300 mikron genişliğindeki bir deve figürü dikiş iğnesinin deliğinde[18]
Feynman’ın ön gördüğü düşünceler ışığında 1980’li yılların başında nano yapıların bazı
fiziksel büyüklüklerini ölçmek ve nano ölçekte üretim yapmak amacıyla bazı optik cihazlar ve
buna uygun yöntemler üzerinde çalışılmaya başlandı. Bu çalışmalar hem nanometre
ölçeklerinde saklı yeni davranışları ortaya çıkarmak, hem de atomu görüp onu istediğimiz
yere taşıyabilmemize imkan sağlamak içindi. Nitekim birçok yeni bilgiler ve keşifler bu
çalışmalarla beraber açığa çıktı. Yine bu çabaların sonucu olarak en önemli gelişme, karbon
nanotoplar ve ardından karbon nanotüplerin keşfedilmesi oldu ve bu başarılar nanoteknoloji
dönemini aktif olarak başlatmış oldu.[29]
Maddelerde büyüklükler nanometre düzeyine inince elektron enerjinin kuantumlaşmasının
malzemede elektrik ve ısı iletkenliği gibi fiziksel özelliklere yansıyacağını ve yeni
kuantumlaşmaların ortaya çıkaracağını yapılan araştırmalar göstermiştir.[1]
Bütün bu gelişmelerle beraber eskiden olduğu gibi yapılacak araştırmalar artık bizzat
laboratuar ortamında yapılmak zorunda değildi. Atomsal ve moleküler boyutlarda deneyler
yapmaktaki güçlükleri aşmak için geliştirilen bilgisayar simülasyon programları, yapılmak
istenen deneyin veya uygulamanın gerçek ortamdaymış gibi önce simülasyonu yapılmaya
başlandı. Bu sayede gerçekçi deneyler hızlı bir şekilde yapılmakta ve uygulanan prosesler
sağlıklı bir şekilde gözlemlenmektedirler.
8
Nanobilimin ve nanoteknolojinin gelişmesinde en önemli etmen; nano ölçekte ölçme ve
inceleme yapabilen mikroskoplar ve bu boyutlarda işlemler yapabilmek için oluşturulan
yöntemlerdir. Bunlar:
Saçılma Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu
Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)
Taramalı Sonda Mikroskobu
Taramalı Tünellemeli Mikroskop
Atomik Kuvvet Mikroskobu
Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop, gibi yöntemlerdir.
Bu uygulamaların hepsi ayrı bir başlık altında detaylı bir şekilde incelenecektir.[2]
2.3 Nanobilim ve Nanoteknolojinin Kronolojik Gelişimi
1959: Richard Feynman’ın meşhur konferansı.
1974: Aviram ve Seiden ilk moleküler elektronik aygıt için patent aldı.
1981: G.K. Binnig ve H. Rohrer atomları tek tek görüntüleyebilmek için Taramalı
Tünellemeli Mikroskobu (STM) icat ettiler.
1985: R. Curl Jr. , H. Kroto, R. Smalley C60 ’ı keşfettiler.
1987: İletkenliğin kuantum özelliği ilk defa gözlendi, T.A. Fulton ve G.J. Dolan ilk defa tek
elektron
transistorünü
yaptılar.
Moleküler
transistör
yapımının
başarılması,
Bell
Laboratuvarları’nda 1940’lı yıllarda Shockley, Bardeen ve Brattain tarafından yapılan ve bir
yumruk büyüklüğünde olan katı hal transistorün boyutunun, yaklaşık yüz milyonda bir
küçülmesi anlamına gelmekte. Ancak, moleküler tansistörlerin birbirlerine iletken tellerle
bağlanmaları ve bu transistörlerden bütünleşik devre yapılması, çözümü zor problemleri de
beraberinde getirdi.
1988: W. De Grado ekibiyle beraber suni protein yapmayı başardılar.
1989: Scweizer ve Eigler IBM logosunu nikel bir yüzey üzerinde duran zenon(35 Xe atomu)
atomlarının yerlerini yenşden düzenleyerek yazdılar.
9
Şekil 2.3 Nano boyutta IBM yazısı[24]
1991: Japon Lijima çok duvarlı karbon nanotüpleri keşfetti.
1993: Lijima ve Bethune tek duvarlı karbon nanotüpleri keşfettiler.
1997: N. Seeman ilk kez DNA molekülünü kullanarak nanomekanik aygıt yaptı ve aynı yıl
içinde Rice Üniversitesinde (ABD) Nanoteknoloji laboratuarı kuruldu.
1999: M. Reed ve J.M. Tour ilk defa tek organik molekül ile elektronik anahtar yaptılar.
2001: ZnO nanotel laseri yapıldı.
2002: Süperörgü nanoteller yapıldı.
2005: Dört tekerlekli nano araba modeli hareket ettirildi.[2]
Şekil 2.4 Motorize bir nano araba[17]
2.4 Ölçülendirme Prensipleri ve Nanoboyutlarda Ölçü
Ölçü, dejenerasyonsuz, belirleyici bir kurala göre herhangi bir şeye sayısal bir değer
atanmasıdır. Başlı başına bir disiplin olan ölçü, teknik bilginin en temel ve zorunlu uzantısıdır
ve ölçü olmadan herhangi bir teknoloji de düşünülemez. Herhangi bir konuya objektif bir
yaklaşım sadece ölçü ile sağlanabilir.[3]
10
Ölçünün metodolojisi, cetvelleri, sistemleri (ingiliz, metrik), ve her konuya özel birimleri ve
sembollleri vardır. Buna temel teşkil eden anahtar anlaşma 1875 yılında Paris'te imzalanan
‘‘metre’’ anlaşmasıdır. Bugün tüm dünyada geçerli olan Uluslararası Ölçüm Sistemi (SI)
1960’taki ‘‘Ağırlıklar ve Ölçümler’’ genel konferansında tanımlandı ve buna resmi bir statü
verildi. Bu sistem bilimde ve teknolojide kullanmak üzere önerilmiştir.
Ana birimler: Uzunluk birimi “Metre”, Kütle birimi “Kilogram”, Zaman birimi “Saniye”,
Elektrik akımı birimi “Amper”, Sıcaklık birimi “Kelvin”, Madde miktarı birimi “Mol”, ve
Işık şiddeti birimi “Candela”’dır.[21]
Nano terimi ölçü birimleri için kullanılan bir ön-ektir. Ancak nanoteknolojik işlemler
denildiğinde genellikle uzunluk birim ön-ek’i olarak kullanılmaktadır. Nanoyapılar uzunluk
olarak düşünüldüğünde yaklaşık olarak 10-100 atomluk sistemlere karşılık gelmektedirler.
Nano uygulamalar, hesaplamalar ve işlemler 10-200 nm boyutlarında gerçekleştirilen
uygulamalardır. Dolayısıyla yapılan nanoteknolojik bir araştırma ve incelemeler bu ölçülerde
yapılıyor demektir.
Yapılan gözlemler nano boyutlardaki sistemlerin fiziksel davranışlarının makro boyuttaki
sistemlere kıyasla çok daha farklı olduklarını ortaya koymuştur. Zaten nanoteknolojiye bu
kadar ilgi duyulmasının, büyük umut ve beklentiler içerisinde olunmanın esas kaynağı da bu
boyutlarda malzemelerin özelliklerinin akıl almaz derece değişmesi; genel itibarla da bu
değişimlerin çok verimli olmasındandır. [4]
KATSAYI ÖN-EKLERİ
Standartlaştırılmış
uluslararası
(SI)
birimlerinin
geniş
çapta
her
türlü
duruma
uygulanabilmesini sağlamak üzere 1991 yılında yapılan ağırlıklar ve ölçüler 19. genel
konferansı metrik katsayı öneklerini 1024 ’den, 10-24 ’e (yotta’dan yokto’ya) kadar genişletti.
11
Çizelge 2.1 Ölçü birimlerinin katları için kullanılan SI tarafından onaylanmış ön-ekler
Faktör
10
İsmi
deka
Sembolü
da
Anlamı
on
Faktör
10-1
İsmi
desi
Sembolü
d
Anlamı
onda
bir
102
hekto
h
yüz
10-2
santi
c
yüzde
bir
103
kilo
k
bin
10-3
mili
m
binde
bir
106
mega
M
milyon
10-6
mikro
µ
milyonda
bir
109
giga
G
milyar
10-9
nano
n
milyarda
bir
1012
tera
T
trilyon
10-12
piko
p
trilyonda
bir
1015
peta
P
katrilyon
10-15
femto
f
katrilyonda
bir
1018
eksa
E
kentilyon
10-18
atto
a
kentilyonda
bir
1021
zetta
Z
sekstilyon
10-21
zepto
z
sekstilyonda
bir
1024
yotta
Y
septilyon
10-24
yokto
y
septilyonda
bir
Nanometreyi şöyle örneklendirebiliriz: 1 Nanometre metrenin milyarda biri, insan saçının
kalınlığı ise yaklaşık olarak yüz bin nanometredir. Bu karşılaştırma nanometrenin boyutlarını
daha net bir şekilde göstermektedir. Nanometrik boyutta malzemeler hem atomik hem de
makroskobik özellikler göstererek, hiç bilmediğimiz yeni bir dünyayı bize sunmaktadır.
Bununla beraber nano boyutlara gelinince hem makro özellikler hem de mikro(kuantum)
özelliklerin etkilerinin aynı anda etkin olmaları, bazı zorluk ve problemlerin doğmasına sebep
olmaktadır.[6]
12
Bir milyon nanometre
Binlerce nanometre
Nanometre
Nanometreden küçük
Şekil 2.5 Nanometrenin ölçüsünün fiziksel karşılaştırılması
Bir karıncanın başının genişliği bir milyon nanometre, vücuttaki bir kan hücresinin büyüklüğü
bin nanometre, DNA molekülleri yaklaşık 2.5 nanometre, atomların çapları ise nanometrenin
onda biridir. Özellikle DNA molekülü nano boyutlarda olan doğal bir nano üründür ve bu
ölçeklerdeki tasarımın mükemmelliğini göstermektedir.
2.5 Malzemelerde Boyut
Malzemelerin iç yapıları, boyutlarına göre farklı şekillerde sınıflandırılmaktadırlar ve
malzemenin nasıl bir yapıda olduğu boyutuna göre belirlenir. Boyutlara göre malzemelerin
birçok özelliği değişim göstermektedir. Malzemelerde boyut; malzemenin serbest
elektronlarının hareket edebilme serbestlikleri ile belirlenen bir olgudur. Malzemenin
yapısındaki elektron akımı serbestlik derecesine göre şekillenir.[2]
Eğer serbest elektronlar eksenel olarak üç yönde de hareket edebiliyorlarsa malzeme 3D (üç
boyutlu) yapı olarak adlandırılır, katı madde olarak bilinen yapılar 3D’lu yapılardır. Serbest
elektronlar sadece iki yönde hareket edebiliyorlarsa o zaman malzeme 2D (iki boyutlu) yapıya
sahip malzemedir. Bütün katmanlı yapılar iki boyutlu malzemeler sınıfındandırlar. Katmanlı
yapılarda bir kat, bir cins atomdan oluşurken, başka bir kat da farklı bir atom cinsinden
oluşur.
Elektron serbestlikleri tek yönde olan malzemeler ise 1D (bir boyutlu) yapılar olarak
adlandırılır. Nanotel, nanotüp gibi yapılar bu gruptaki yapılardır. Ayrıca bu yapılarla beraber;
serbest elektronları bulunduğu halde, üç yönde de sınırlanmış olan bir yapıya sahip olduğu
için hareket kabiliyeti olmayan yapılar da vardır ki bu yapılara da 0D (sıfır boyutlu) yapılar
denilmektedir. Nanotop, kuantum nokta ve topaklar bu sınıftandır. Bu tür yapılar kuantum
13
bilgisayarlar da dahil, birçok elektronik işlevli uygulamalarda mutlaka kullanılan
bileşenidir.[2]
Malzemelerin elektronik özellikleri ve elektronik işlevleri, boyutu ile doğrudan doğruya
ilgilidir. Herhangi bir boyutta olan bir malzemenin tek yapı örneği olmayabilir. Örneğin
bizmut elementine bakacak olursak; 1D’lu bizmutun üç farklı yapısı vardır; çubuk yapısı, tüp
yapısı ve atom dizisi yapısı. Çubuk yapının iç kısmı kristal yapı özelliğindedir, tüp yapının içi
boştur, atom dizisi şeklindeki yapılar ise bir kristal yüzeyine dizilmiş atomlardan oluşmuştur
ve bu örneklerin hepsi nanotel çeşitleridir. [2]
3
NANOBOYUTLARDAKİ İŞLEMLERİ ETKİLEYEN ETMENLER
Bu bölümde karakteristik olarak boyut azaldığında malzemenin özelliklerinin ve
davranışlarının nasıl değiştiği üzerinde durulacaktır. Nanotaknoloji atomsal ve moleküler
düzeyde bir uğraş alanı olduğu için, çalışmalar bu boyutlarda yapılmakta olup nihai
nanoimalat da yine bu ölçeklerde olacaktır. Nano seviyelere inildiğinde azalan ölçü
değerlerinin; malzeme, cihaz, sistem, malzeme iç ve dış kuvvetleri, ürün tasarımı gibi
faktörler üzerindeki etmenleri de son derece önem kazanmaktadır.[7]
3.1 Küçük Boyutlarda Malzemeler
Makro boyutlarda bir nesnenin sınırları elle tutulur gözle görülür bir durumdadır ve sınırları
çizilmek suretiyle belirlenebilir. Nesneyi daha küçük parçalara ayırmanın maddenin fiziksel
özellikleri üzerinde farklı etkileri vardır.
Örneğin r yarıçapına sahip küresel bir elemanın iç dinamikleriyle ısıtıldığını düşünelim ve ısı
miktarının da elemanın hacmiyle doğru orantılı olduğunu varsayalım;
Küresel elemanın hacmi:
Elemanın çevreye verdiği ısı miktarı ise kürenin yüzey alanı ile doğru orantılı olacaktır.
Küresel elemanın yüzey alanı:
[1]
14
Eğer küresel elemanı n tane küçük parçacığa ayırırsak toplam yüzey alanı artacaktır.
Dolayısıyla küçük parçacıkların dışarıya ilettiği ısı miktarı da orantılı olarak artacaktır. Bu da
bize boyutlar küçüldükçe işlem hızlarının arttığını göstermektedir. Nanoboyutlarda
çalışıldığında karşımıza daha karmaşık bir uğraş alanı çıkacağı ortadadır.[1]
Kimyasal Reaktivite: Malzemenin iç ve dış atomlarının durumları farklı olmaktadır. Makro
ölçeklerde bir nesnenin yüzey atomları ile iç atomları niteliksel olarak farklılık gösterirken,
boyutsal olarak aşağılara inildiğinde nesne artık sadece yüzey atomlarından ibaret olmaktadır.
Kimyasal reaktiviteleri göz önünde bulundurursak yüzey atomlarının iç atomlardan daha çok
bağlanma ihtimalleri vardır. Dolayısıyla nanoölçeklerde madde tamamen yüzey haline
geldiğinde büyük değişimlerin oluştuğunu gözlemleyebiliriz.[7]
Nesneleri nanoölçekte bir, iki veya üç boyutta kümelemek, yeni bir çeşit süper kafes veya
süper atom sınıfının meydana gelmesini sağlar. Taşıyıcıların iki, bir veya sıfır boyutta
sınırlandırlması ile sırasıyla nanoplakalar, nanofiberler ve nanoparçacıklar oluşur, bu
nanoyapılar, bir nanocihazın yapımında kullanılırlar.[11]
Elektrik İletkenliği: nanoboyutlara inildiği zaman karşımıza çıkan nanotaneciklerin
elektriksel davranışlarının nasıl olduğu son derece önemlidir. Küçük dünyaya indiğimiz
zaman şaşırtıcı özellikler gün yüzüne çıkabilmektedir. Elektriksel özellikler de genellikle iyi
olmakla beraber, bazı malzemelerde bu boyutlara inildiğinde, elektrik özelliğinin düştüğü
nadiren de olsa gözlemlenebilmektedir. Ancak büyük bir oranla nanoölçeklerde malzeme
elektriki durumu iyileşme göstermektedir diyebiliriz.
Nanoboyutlarda elektriksel etkileri anlayabilmek için öncelikle temel elektrik bilgilerine bir
göz atalım;
Elektrik:
Elektrik enerjinin bir şeklidir. Maddenin en küçük yapı taşını oluşturan atom, kendi içerisinde
bulunan parçacıkların etkisiyle elektriğin oluşumunda ve iletilmesinde büyük rol oynar.
Atomu oluşturan parçacıklar:
15
Şekil 3.1 Atomun Yapısını Oluşturan Tanecikler
Atom çekirdeğinin etrafında negatif yüklü elektronları vardır. Bir dış kuvvet tarafından bir
atomun elektron ve protonu arasındaki denge bozulduğu zaman o atom bir elektrik yükü
kaybeder ya da kazanır.
Bir atomdan elektrik yükleri kaybolduğu zaman, bu negatif yükler serbest kalır ve bu
elektronların serbest hareketiyle madde içinde bir elektrik akımı meydana gelir. Yapısında
serbest elektron bulunduran bu maddelere iletken madde denir. [13]
Şekil 3.2 Atomun Parçacıkları
Elementlerin cinslerine göre atomlarındaki elektron sayıları da değişir. İletken maddelerin
atomlarının son yörüngelerinde 4’den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronları 8’e
tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bundan dolayı bir İletken maddede milyonlarca
serbest elektron bulunur. Bu maddeye elektrik uygulandığında elektronlar negatif (-) ’den
pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu harekete ‘‘Elektrik Akımı’’ denir.
İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 6,25x1018 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma
eşittir.[13]
16
Serbest Elektronlar
çekirdeğe yakın yörüngelerdeki elektronlar kuvvetli bir çekimle çekirdeğe bağlıdırlar.
Atomların dış yörüngelerindeki elektronlara valans elektron ya da serbest elektron denir.
Bunlar çekirdeğe zayıf bir bağ ile bağlı olduklarından ufak bir enerji ile atomu terk edebilirler.
Serbest elektronlar bu hareket özelliklerinden dolayı elektrik iletiminde önemli rol
oynarlar.[22]
Şekil 3.3 Silisyum Atomunun Son Yörüngesi
İletken: Atomların dış (valans) yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-2-3) olan
elementlere iletken denir. Bu elementler elektrik akımını iyi iletirler. Tü metaller iletkendir.
İnsan vücudu iyi bir iletkendir. İyonlara sahip sıvılar iyi bir iletkendir ve bunlara elektrolit adı
verilmektedir. Saf su yalıtkan, günlük hayatta kullandığımız içme suyu iletkendir. Toprak
içerisinde su olduğu için iletkendir. Gazlar genelde yalıtkandırlar; fakat iyonlarına ayrılmış
gazlar iletkenlik kazanırlar
Yarı İletken: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan elementlere yarı iletken
denir. Silisyum, germanyum gibi maddeler örnek olarak verilebilir.
Yalıtkan: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 8 olan tüm elementlere yalıtkan
denir. Yalıtkan gereçler elektriği iletmezler. Son yörüngelerindeki elektron sayısı 5,6,7 olan
elementler ise bir noktaya kadar yalıtkandırlar. Yalıtkan cisimlerde serbest elektronlar yok
denecek kadar azdır. Cam, kauçuk, pamuk, yağ ve hava yalıtkan maddelere örnek olarak
verilebilir.[13]
17
Ferromanyetizma: Bazı elementlerde birbirine komşu iyonlarda bulunan elektronlar
arasındaki değişim etkileşimleri elektronların spinleri arasında büyük bir çiftleşmeye yol açar,
spinler belli bir sıcaklığın üzerinde birbirleriyle rastgele hizaya geçerler. Ferromanyetik
maddelerin nanoparçacıklarını sentezlemeye yönelik yöntemler uygulandığında, parçacıkların
tipik olarak birkaç on nanometrenin altında olduklarında, bir elektrik alanının varlığında hala
manyetik hassaslık gösterdiklerinin ancak ferromanyetizmanın karakteristik bir özelliği olan
artık manyetizmdan da yoksun oldukları keşfedilmiştir. Bu duruma süper para-manyetizma
denir. Bu şekilde veri depolamaya yönelik nanoyapılı manyetik malzemelerin manyetik
elementlerinin büyüklüğüne yönelik bir alt limit olduğu ortaya çıkmıştır. Mıknatıslanma
histerisisi(geri dönüş) bu limitle alakalı olarak değişmektedir.[22]
Optiklik: Nanofiberin veya plakanın ışığın dalga boyundan daha kısa bir yarıçapı olabilir.
Ancak tipik olarak ışığın dalga boyunun yaklaşık üçte biri kadar olan kalınlığın veya çapın
altında ışığın yayılması mümkün değildir. Işığın ince yapılardaki bilim ve teknolojisine
entegre optikler, fiber optikler ve bazen da nanofotonikler ismi verilmektedir. Burada limit
uzunluğu
birkaç
yüz
nanometredir,
dolayısıyla
bazen
nanoboyutların
üzerinde
kalabilmektedir.[10]
Safsızlık: Eğer p bir atomun yerini bir safsızlığın alması ihtimali ise ve q=1-p ise n tane atom
içindeki k tane safsızlığın olma ihtimali:
b(k; n, p) = (n/k).pk.qn-k
Eğer n.p= m çarpımı ortalama bir büyüklüğe sahip ise (~1’e yaklaşıyorsa), dağılım poisson
yaklaşımının sadeleştirilerek binom dağılım haline getirilmesi şeklinde yapılabilir:
b(k; n, p) ~ (mk/k!). e-m =p(k ; m)
Böylece cihaz küçüldükçe, kusursuz olma ihtimali daha büyük olmuş olur.[1]
Mekanik özellikler: Nanomekanik cihazlar yüksek mukavemet dayanımlarına sahiptirler.
Özellikle yüksek vakumda kalite faktörü, geleneksel cihazlardakinden daha büyük değerlerde
olabilir.[9]
18
3.2 Kuvvetler
Makro seviyelerde nesneler arasında çeşitli çekim kuvvetleri etki etmektedir. Yer çekimi
kuvvet, elektrostatik kuvvet, mıknatıslanma özelliği gibi kuvvetler bu etkilere örnektirler. Bu
kuvvetlerin büyüklükleri genel
görelilik kuramına göre temel olarak; nesnelerin
büyüklüklerine ve aralarındaki mesafeye bağlıdır. Örneğin bir cismin yerçekimi kuvveti,
cismin kütlesine ve cismin yerin merkezine olan uzaklığına bağlıdır. Kütleler arasındaki
çekim kuvvetiyle ilgili olarak Newton, günümüzde de geçerli olan Genel Çekim Yasası’nı
bulmuştur. Bu yasaya göre, herhangi iki cisim birbirini, kütleleri çarpımıyla doğru orantılı,
kütle merkezlerini birleştiren uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker.[9]
Nanoölçekte ise yerçekimsel kuvvetler ihmal edilecek kadar zayıftır ve güçlü çekirdek
kuvvetinin çekim menzili ise çok küçük olduğu için, çekirdek kuvveti de ihmal edilebilir.
Ancak nanoboyutlarda temelinde elektrostatik olan çeşitli kuvvetler özel bir öneme sahip
olmaktadır. Nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici van der
Waals kuvvetleri bu kuvvetlerden biridir. Van der Waals kuvvetleri nonaimalatın
yapılabilmesi için son derece önemlidirler.[10]
Casimir kuvveti: Yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir tarafından ortaya atılan
casimir kuvveti de nanoölçülerde etken bir kuvvet olacağı düşünülmektedir. Hendrik casimir
mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda
(Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının, içindeki gazın boşaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra
indirildiği durumdur) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabileceğini önerdi. Casimir’e göre
vakum ortamında iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz, her iki
ayna, basit vakum sonucu birbirini karşılıklı olarak çekerler, iki ayna arasındaki bu çekim
kuvveti Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir.[13]
Şekil 3.4 İki ayna arasında bir boşluk, dalgalar aynalar arasında yansır, casimir kuvveti[22]
19
Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken,
uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır. Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki
uzaklık 1 µm olan iki ayna yaklaşık 10-7N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet
çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük
gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında çok güçlü olur.
Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir
etkisi 1 atmosfer basınsının eşdeğeri basınç üretir. Dolayısıyla nanoyapılı ölçekler ve mikroelektromekanik sistemlerde casimir kuvveti önemlidir.[22]
Bazı fizikçiler, nanoölçeklerde plakalar birbirine çok yakın yerleştirildiğinde ve casimir etkisi
kullanıldığında hiçlikten enerji elde edilebileceğini iddia etmektedirler.
Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti:
F=(πhc/480)(A/d4 ) bağıntısıyla hesaplanır.
Burada:
h = Planck sabiti ( 6,62.10-34J.s ),
c = ışığın boşluktaki hızı ( 3.108 m/s )
Bu küçük kuvvet, 1996 yılında Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata ile
ölçülmüştür.[24]
Alan Radyasyon Basıncı: Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır ve tüm elektromanyetik
alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladığı
gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı
enerjinin artması ile artar. Casimir etkisindeki ayna örneğini tekrar ele alırsak, oyuk içindeki
radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dış kısımdakinden daha güçlüdür ve
bundan dolayı aynalar bir birinden uzağa itilirler.[13]
20
Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dışarıdakinden daha küçüktür
ve bundan dolayı aynalar birbirine doğru çekilirler. Dolayısıyla nanoboyutlarda alan
basınçları da önemli etkiye sahip olur gibi görünmektedir.[13]
3.3 Cihaz Performansı
Cihaz performansının analizi parametrelerin değişen cihaz boyutlarına göre nasıl
ölçeklendiğini belirlemekle başlar:
Alan(güç ve termal kayıplar) uzunluğun karesiyle; hacim ve kütle uzunluğun küpü ile;
elektromanyetik kuvvet uzunluğun dördüncü dereceden üssü ile; doğal frekans ise 1/uzunluk
ile orantılıdır. Bu şekilde asıl sistemlerden çıkartılan daha çok türevsel terim sayılabilir. Bu
veriler göz önünde bulundurularak cihazdaki boyut değişikliklerinin performansı nasıl
değiştiği ve etkilediği hesaplanmış olur.[3]
Nesneler çok küçük boyutlara gelince, muhatap olunan elemanların sayısı da azalmaya başlar.
Kuantum bölgelere inildiğinde malzemeye ait bilgi taşınımında küçük sinyaller parazite karşı
oldukça hassa olmaya başlar ve son derece savunmasızdırlar. Dolayısıyla bilgi işlemlerde bir
mesajın tekrarlanması yoluyla bu problem çözülmeye çalışılmaktadır. Nanoölçeklerde
çalışılırken bu parazite durumlarının önemli problemler oluşturacağı ortadadır.[3]
3.3.1
Tasarım
Nanoteknolojinin en belirgin sonucu çok küçük parçaların icat edilmek istenmesidir. Bir
başka ifadeyle nanoteknolojinin günlük yaşam için kullanılışlı hale gelebilmesi için nano
nesnelerden çok sayıda olması gerektiğidir. Eğer m göreli cihaz büyüklüğü ve M cihazların
sayısı ise kullanışlılık için m.M~1’e ihtiyaç duyulur, bu şartın sağlanması için de 109 tane
cihaz gerekecektir. Günümüzde elektronik devre elemanlarının tasarımı yaklaşık 100nm
boyutlarına kadar inilip yapılmakta olsa da kullanılabilir bir nanosistemin tasarlanması
gerçekten sağlıklı bir şekilde nasıl yapılacaktır?[11]
21
Bu soruya cevap için birçok farklı tasarım ve imalat prosesi düşünülmektedir. Buradaki
problemin büyüklüğünü düşünmek için insan beynindeki nöronları ve çalışmalarını ele
alabiliriz; insan beyninde yaklaşık olarak 1011 tane nöron bulunmaktadır ve her nöron diğer
nöronlarla yüzlerce veya binlerce bağlantı yapabilmektedir. Dizayn edilecek nanosistemler bu
mükemmelliklere ulaşabilecek mi? , düşündürücü bir durumdur. Makro boyutlardaki bir
tasarımda bile birçok faktör göz önünde bulundurulurken, nanoölçeklerde çok daha karmaşık
algoritmaların kurulması söz konusudur.[11]
4
NANOÖLÇEKTE ÖLÇME ve İNCELEME YÖNTEMLERİ
Geliştirilen teknolojilerle; duyu organlarının algılama alanlarının genişletilmesi, sadece
kızılötesi veya mor ötesi radyasyon kullanılarak görülebilecek renkleri, duyulamayacak kadar
düşük veya yüksek bir alana ait sesleri ve parmaklarımızdaki sinirlerin hissedemeyeceği kadar
küçük kuvvetleri de algılamamızı sağlar. Ancak duyu organlarımız içerisinde görme
duyusunu hayatımızı kattığı değer açısından farklı bir yere koysak herhalde hata yapmış
sayılmayız. Gözün bizzat görmesi birçok sorunu birincil derecede ortadan kaldırmaktadır.
Bilim ve teknolojilerde de gizemleri ortadan kaldırmak, ilerlemeler kat etmek, daha
derindekini, perdenin arkasındakini görebilmek için görüntüleme araçları üzerinde yoğun bir
şekilde, büyük mesailer harcanmıştır. Dolayısıyla bilim adamlarına göre malzemenin içine
girmek, aşağıda olup bitenlere şahit olmak sadece teknik bir sorundan ibarettir ve atomları
görüntülemek, gelişmeler için oldukça önemli bir durumdur.
4.1 Mikroskopların Tarihçesi
Yaşadığımız dünyada fiziksel olarak bir nesneyi görebilmek için gözlerimizin sağlıklı olması
ile beraber, ışık gereklidir. Ancak daha aşağıları görebilme imkanı ise, ışık mikroskobu ile
gerçekleştirilmiş oldu. Gözümüzün görme prensibi merceklerden oluşan bir sistemin
çalışması şeklindedir. Bu durum küçük dünyaların görüntülerinin de tasarlanacak olan
mercekler yardımıyla sağlanabileceği idi, ve gelişmeler sağlanıp küçük dünyaların keşfi
başlamıştı. Merceklerin gelişimi ve optikteki ilerlemeler küçüklerin dünyasına doğru atılan
somut adımları sıklaştırdı. ilk defa Hollandalı Antonie Philips van Leeuwenhoek’un (1632 1723) yaptığı basit mikroskoplar yardımıyla aşağıda gördüklerini çizmesi, onu adeta başka bir
dünyanın ilk ressamı yapmıştı.[18]
22
Leeuwenhoek tasarladığı tek mercekli mikroskopla 270 kat büyütmeyi başarmıştı ve bu
mikroskopla yaklaşık olarak 0,2 mikrometre boyutlarındaki yapıları görmek mümkün
olmuştu.
Ancak tıpkı gözümüzün görebildiğinin bir alt sınırının olduğu gibi, ışık mikroskoplarıyla da
gördüklerimizden de küçük yapıların olabileceği düşüncesi bilim insanlarını yeni arayışlara
sevk etti. Bu alt dünyaları görüntüleyebilmede ışığın yeterli olamayacağını ve yeni
yöntemlerin kullanılması gerektiğini araştırmacılar ortaya koymuştu.[17]
Bu doğrultuda vakum, yüksek voltaj ve elektron ışınlarının optik davranışları konusunda
çalışmalar yapan Ernst Ruska (1906 – 1988) ilk defa ışık olmadan daha da küçüklerin
dünyasını görebileceğimiz bir yöntem geliştirdi. Ruska ışık yerine daha küçük dalga boylarına
sahip elektronları kullanarak görüntü elde etmeyi başarmıştı. O zamana kadar elektronlar
üzerinde yapılan araştırmalar elektronların(katot ışınlarının) manyetik alan tarafından
saptırılabileceği veya bu ışınların yine manyetik alan tarafından odaklanabileceği tespit
edilmişti.[17]
Ruska mercklerin ışığı odaklayarak görüntü verdiği gibi, manyetik alanların da elektronları
odaklayarak görüntü vereceğini düşündü. Bu düşünceden yola çıkan Ruska ve arkadaşı Max
Knoll (1897 - 1969) 1933’te elektron mikroskobunun ilk örneğini yapmayı başardılar.
Elektron mikroskobu ile ışık mikroskobunun verdiği iki boyutlu görüntünün yanında, üç
boyutlu görüntüyü de sağlamıştı. Elektron mikroskoplarıyla elde edilen görüntülerin
çözünürlüklerinin yüksek olması için elektron demetinin incelenecek malzeme üzerine yüksek
hızlarla gönderilmesi gerekiyordu. Hızlandırılan elektronlar incelenen malzemenin ya içinden
geçiriliyor ya da yüzeyinden yansıtılarak görüntü elde ediliyordu.[17]
Elektron demetinin incelenen malzemenin yüzeyinden yansıtılarak görüntünün elde edildiği
mikroskoplar taramalı elektron mikroskobu (SEM-Scanning Electron Microscope), demetin
malzemenin içinden geçirildiği mikroskoplar ise geçirmeli elektron mikroskobu (TEMTransmission Electron Microscope), olarak adlandırıldı.[16]
23
Şekil 4.1 TEM ve SEM çalışması prensibi[18]
Max Knoll 1935’te ilk defa taramalı elektron mikroskobu(SEM) ile üç boyutlu görüntüyü elde
etmeyi başardı. Üretilen ilk elektron mikroskobu, elektronların yüksek hızlara erişmesini
sağlamak için devasa boyutlarda idi.[8]
Şekil 4.2 İlk taramalı elektron mikroskobu(SEM)[18]
24
4.2 Nano Dünyanın Görüntülenmesi
Malzemeler üzerinde inceleme yapmak, deneyler tertip etmek, hesaplamalar oluşturmak;
temelde görüntüleme yaparak görmek ile ilgili bir durumdur. Bu yüzden en çok, nano
malzemelerin naometre hassaslığında nasıl görüntülenebilceği üzerinde duracağız.
Lenslerdeki gelişim ve mikroskop tasarımındaki diğer yenilikler sayesinde yaklaşık olarak
2000 kat büyütme sağlanmış durumdadır. Bununla beraber, çok hassas değerler (100 nm
civarındaki büyüklüklere sahip nesneler) sadece mikroskoplar aracılığıyla dikkatli bir şekilde
çalışıldığında görüntülenebilmektedir.[16]
Işıkla görüntü elde eden klasik bir mikroskobun uzaysal çözünürlük gücü ∆x, ışığın dalga
özelliğinden dolayı ana bir sınırla karşılaşır.
∆x= λ /2(Y.A.)
Burada λ aydınlatan ışığın dalga boyudur ve Y.A. ise mikroskop yoğunlaştırıcısının
açıklığının sayısal ifadesidir. Bu problemi çözmek için;
Işığın dalga boyu azaltılabilir
Uzak alandan ziyade yakın alanda çalışılabilir
Direk görüntelemeden vazgeçebilir
Ancak, kuantum mekaniğinin verilerine göre ışığın dalga ve parçacık özelliklerini beraber
yorumlayan de Broglie bağıntısıdır:
λ =h/p
Burada λ momentumu p= m.v olan bir parçacığın dalga boyu, m ve v sırasıyla kütlesi ve hızı
h sayısal değeri 6,63x10-34 olan Planck sabitidir. Kütle ve hızı biliyorsak dalga boyunu
hesaplayabiliriz.[16]
25
Işık ile görüntü veren mikroskopların çözünürlükleri her ne kadar dalga boyunu azaltarak
veya yakın alanda çalışarak arttırılmaya çalışılsa da, daha aşağı ölçeklerde nano boyutlarda
görüntü elde etmek geliştirilen elektron mikroskopları ile mümkün olabilmektedir.
Elektron, belli bir kütlesi (me = 9,11x10-31kg) ve elektrostatik bir yükü (e) olan bir parçacık
olarak bilinmektedir. Elektrikten, zıt yüklerin birbirine çekim kuvveti uyguladığını biliyoruz,
bu yüzden elektron istenen hıza, bir elektrik alanının üzerine uygulanmasıyla ulaştırabilir.
Yani manyetik alan yardımı ile elektron demeti odaklanabilir ve bu sayede üç boyutlu görüntü
elde edilebilir.[16]
Boyut Büyütme: Malzemeden istenen performansı insan kullanımına uygun hale getirecek
şekilde boyutları büyütmek büyük bir paralelleştirme meselesidir. Örneğin bilgi işleyicilerde
problem kullanıcı ara yüzündedir; bir görüntü ekranı, kullanışlı miktarda bilgiyi gösterecek
kadar büyük olmalıdır, komutları girmek için klavye olmalıdır ve veri insan parmakları için
yeterince büyük olmalıdır. Nano uygulamalarda da görülebilir net bir sonuç için boyut
büyütme işlemi gerçekleştirilmektedir.[1]
Şimdi nano ölçeklerde görüntü elde edilebilecek elektron mikroskopları ve bu
mikroskoplardan edinilen görüntüler üzerinde duracağız:
4.2.1
Elektron Mikroskopları
Işık ile görüntü veren mikroskoplarda, bir cisimdeki ayrıntıları görmede kullanılan ışığın
dalga boyunun sınırlayıcı etmen olduğunu, modern optiğin kurucularından Ernst Karl
Abbe(1840 – 1905) tarafından ileri sürüldü. Oysa daha aşağıda başka dünyaların olduğu
düşüncesi çok sağlamdı ve ileride kanıtlanacaktı. İşte bu kanıt; ışık yerine elektron
demetlerinin numune parçaya gönderilmesi sonucu görüntü elde etmeyle ortaya çıktı. Temel
işleyiş mantığı ışık mikroskobuna benzeyen bu yeni mikroskoplarda, görünür ışıktan çok,
daha küçük dalga boylu elektron ışınlarıyla görüntü elde edilecekti. Elektron gönderme
işlemleri, saçılma yöntemleri olarak bilinmektedir.[18]
26
Bu yöntemde elektronlar veya fotonlar malzeme ile çarptırılarak malzeme hakkında görüntü
elde edilir. Görüntüleme işlemi elektronların veya fotonların(x-ışnları) saçılmalarıyla
sağlanmaktadır. İncelemelerde farklı saçılma yöntemleri kullanılmaktadır. Saçılma yöntemi
ile kristal yapılı malzemelerin tabakaları arasındaki mesafe hassas bir şekilde ölçülür.
Hassasiyet derecesi nanometrenin onda biri seviyelerindedir. [17]
Saçılma yöntemlerinde elektron-malzeme çarpışması söz konusu olduğundan dolayı bu
çarpışmalar hakkında önce bazı fiziksel olaylardan bahsetmek faydalı olacaktır. Bir elektron
demeti bir malzemeye ile çarpıştığı zaman; bazı radyasyon(ışınlar) ve elektronlar yayar. Bu
elektron ve ışınları şöyle sınıflayabiliriz;
X-ışınları: Malzeme atomlarının iç kabuk elektronlarının geçişleri sonucunda meydana gelen
ışınlardır ve malzeme atomlarının cinsleri ve bileşimleri hakkında bilgi verir.
X-ışınları yüksek enerjili elektronların yavaşlatılması veya atomların iç yörüngelerindeki
elektron
geçişleri ile meydana gelen, dalga boyları 0.1-100Å arasında değişen
elektromanyetik dalgalardır. X-ışınları, görünür ışıktan çok daha kısa dalga boylarına
sahiptirler.
X-ışınlarını 1895'te Röntgen isimli Alman makine mühendisi bulmuştur. Röntgen; bir Crooks
tüpünü indüksiyon bobinine bağlayarak, tüpten yüksek gerilimli elektrik akımı geçirdiğinde,
tüpten oldukça uzakta durmakta olan cam bir kavanoz içindeki baryumlu platinsiyanür
kristallerinde bir takım pırıltıların oluştuğunu gözlemiş; bu tür pırıltılara neden olan ışınlara, o
ana kadar bilinmemesinden dolayı "X-ışınları" adını vermiştir.[13]
Katot Işımaları: Malzeme atomlarının dış kabuk(valans) elektronlarının, geçişleri sonucunda
oluşan ışınlardır, malzeme atomlarının elektronik yapısı hakkında bilgi verir.
Katot Işınları çok düşük basınçlı bir cam borunun içindeki katottan dik olarak çıkan
elektronlar. Katot ışınları gözle görülmez, katot karşısına konan bir fluoresans camında ışıklı
noktalar meydana getirirler. Katot ışınlarının, elektrik alanı vasıtası ile saptırılması, yüklü
parçacıklar olduğunu; yalıtılmış bir levhada birikmeleri sonucu levhanın negatif elektrikle
yüklenmesi de, taşıdıkları yükün negatif olduğunu gösterir. [13]
27
Auger Elektronları: Malzeme atomlarının iç kabuklarından gelen elektronlardır, malzeme
atomlarının bileşimi hakkında bilgi verir.
Geri Saçılan Elektronlar(backscattered electrons): Elektron demetine ait elektronlardır,
Malzeme atomları ve yüzey yapısı hakkında bilgi verir.
Geri saçılan elektronlar ile elde edilen görüntüler, incelenen numunedeki atomların atom
numaraları hakkında bilgi verir. Atomik numarası küçük olan elementler daha az sayıda
elastik elektron yansıtır(düşük parlaklık) ve atom numarası büyüdükçe elastik bir şekilde
yansıtılan elektronların sayısı artar (yüksek parlaklık). Atom numarasına bağlı olarak ortaya
çıkan bu durum SEM fotoğrafında bir kontrast meydana getirir. [13]
İkincil Elektronlar(secondary electron image): Malzeme atomlarından gelen elektronlardır,
malzeme yüzeyi hakkında bilgi verir.
ikincil elektronlar düşük enerjili elektronlardır. Detektöre 100-300V arasında bir pozitif voltaj
uygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler. Bu yolla ikincil elektronların %50-100 arasındaki
kısmı toplanabilir. Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü elde edilmiş olur.
Çukurda kalan bölgelerden kaynaklanan ikincil elektronlar sayısı, tümseklerden kaynaklanan
elektronların sayısından farklıdır. Bundan dolayı fotoğrafta değişik bölgeler için kontrast
görülür. [25]
Şekil 4.3 Elektron-madde çarpışması sonucu meydana gelen olaylar[16]
28
4.2.1.1 Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Elektron Microscope - SEM)
Temel olarak Taramalı elektron mikroskobu, Tungsten, Lantan hekza borit katottan veya alan
emisyonlu (FEG) gun’dan ortaya çıkan elektronların, incelenecek malzeme yüzeyine
gönderilmesi sonucu oluşan etkileşmelerden yararlanılması esasına dayanır.
SEM’ler genel olarak bu elektron enerjisi 200-300 eV dan 100 keV a kadar değişebilir. Bu
amaçla, yoğunlaştırıcı elektromanyetik mercekle (condenser lense) toplanan, objektif
mercekle odaklanan elektron demeti, yine elektromanyetik saptırıcı bobinlerle örnek
yüzeyinde tarama işlemini (scanning) gerçekleştir. Bir taramalı elektron mikroskobunda
görüntü oluşumu temel olarak; elektron demetinin incelenen örneğin yüzeyi ile yaptığı
fiziksel etkileşmelerin (elastik, elastik olmayan çarpışmalar ve diğerleri) sonucunda ortaya
çıkan sinyallerin toplanması ve incelenmesi prensibine dayanır. [17]
Bunlardan ilki, gelen elektron demetindeki elektronların, malzemedeki atomlarla yapmış
olduğu elastik olmayan çarpışma sonucu (yani, örnek yüzeyindeki atomlardaki elektronlara
enerjilerini transfer ederek) ortaya çıkan ikincil elektronlardır (secondary electrons). Bu
elektronlar numune yüzeyinin yaklaşık 10 nm’lik bir derinliğinden ortaya çıkarlar ve bunların
tipik enerjileri en fazla 50 eV civarındadır. İkincil elektronlar foto çoğaltıcı tüp yardımıyla
toplanıp, örneğin tarama sinyali konumuyla ilişkilendirilerek yüzey görüntüsü elde edilir. [17]
29
Şekil 4.4 Taramalı elektron mikroskobunun şematik gösterimi[16]
Elektron demeti ile incelenen numune yüzeyindeki malzeme, arasındaki etkileşmede ortaya
çıkan diğer bir elektron grubu ise geri saçılma elektronları (backscattered electrons) adı
verilen elektronlardır, bu elektronlar, yüzeye gelen elektron demeti ile yaklaşık 1800 açı
yapacak biçimde saçılırlar. Geri saçılma elektronları, yüzeyin derin bölgelerinden (yaklaşık
300 nm’ye kadar) gelen daha yüksek enerjili elektronlardır. Bu enerjideki elektronlar bir foto
çoğaltıcı tüp tarafından tespit edilemeyecek kadar yüksek enerjiye sahip olduklarından,
genellikle quadrant foto dedektörlerle (yani katıhal dedektörleri) yardımıyla tespit edilir. [13]
Gelen elektron demetinin incelenen numune yüzeyi ile yapmış olduğu diğer bir etkileşme ise
(yaklaşık 1000 nm derinlik civarında), karakteristik X-ışınlarının çıktığı durumdur (enerjileri
keV mertebesindedir). Buna göre örneğe çarpan elektron, örnekteki atomun iç yörüngesinden
bir elektron kopmasına neden olunca, enerji dengelenmesi gereği bir üst yörüngedeki elektron
bu seviyeye geçer ve geçerken de ortama bir X ışını yayar ve buna da karateristik X ışını adı
verilir. Bu X ışını mesela 10 mm çapındaki bir Si (Li) dedektörle algılanır, ortaya çıkan
sinyal yükselticiye, oradan çok kanallı analizöre ve daha sonra da SEM sisteminin
bilgisayarına gönderilir.
30
Sonuçta ortaya çıkan karakteristik X ışını (ki bu ışının enerjisi her atoma özeldir), SEM’de,
incelenen malzemenin element bakımından muhtevasının nitel ve nicel olarak tespit
edilmesine yardımcı olur.
aikincil elektronlardan elde edilen görüntü, b- Gerisaçılan elektronlardan elde edilen görüntü
Şekil 4.5 Kursun-Kalay alaşımı. Geri saçılan elektronların kullanıldığı fotoğrafta beyaz
bölgeler Kurşun konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgelerdir. (SEM görüntüleri)[12]
Elektron demeti ile incelenecek malzemenin oluşturduğu düzenek vakumlu bir ortamda
bulunmalıdır, çünkü elektronların içinden geçtiği boşluğun içinde ve numunenin etrafında gaz
molekülleri kalırsa, elektronların saçılmalarına yol açarlar.
Hızlı hareket eden elektronlar tarafından iyonlaştırılarak numunenin görüntüsünü bozarlar.
Bunun için düzeneğin hassas bir vakum ortamında olması şarttır.[2]
Şekil 4.6 a. Nanofiberlerin SEM görüntüsü, bir çubuğun uzunluğu = 1000 nm.(Sheikh akbar
Ph. D. , Purdue University, 1985) [11]
31
Taramalı elektron mikroskobu ile iletken malzemelerin incelenmesi gerçekleştirilir. İletken
numune ayrıca topraklanarak tarama işlemi gerçekleştirilir. Özellikle ağır atomlardan oluşmuş
malzeme yüzeyleri bu yöntemle çok iyi görüntülenebilir(altın yüzeyi v.b), hafif atomlardan
oluşmuş malzeme görüntüleri pek hassas sonuç vermez.
Şekil 4.7 Nikel nanotel SEM görüntüsü [34]
Elektron-malzeme çarptırılması yönteminde elektron demeti ne kadar hassas olursa elde
edilecek görüntü de o derece hassas olur. Dolayısıyla çok dar bir bölgede oluşturulan elektron
demeti (1nm civarında) ile çok hassas görüntü elde edilebilir. Ayrıca elde edilecek
görüntünün hassas bir şekilde alınabilmesi için; malzeme yüzeyinin çok temiz olması,
elektron demetindeki elektronların enerjisi kontrol altında olmalı ve hatta vakum sistemindeki
kirlilik bile görüntünün bozulmasına neden olabilir. Dolayısıyla bu faktörler hep hassas bir
şekilde ayarlanmalıdır.[16]
32
4.2.2
Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)
Geçirmeli elektron mikroskobu (GEM) diye de isimlendirilen TEM 19382’de ilk defa ticari
olarak Siemens tarafından üretildi. Transmission elektron mikroskobu, atom seviyesinde
görüntü elde edebilen hassas bir yöntem ve cihazdır. Bu yöntemin ‘‘taramalı elektron
mikroskobu(SEM)’’ yönteminden farkı, TEM’de elektron demetinin numune malzemenin
içinden geçerek yol almasıdır. Elektron demeti kaynaktan yayıldıktan sonra mercekler
aracılığı ile numuneye odaklanır. Numuneye gelen elektron demeti malzemenin içinden
geçerek malzemenin yapısı ile ilgili görüntü oluştururlar. [18]
Bu mikroskopta elektron demeti incelenmek istenen numunenin içinden geçirildiğinden,
numunenin çok ince olması gerekiyor. İncelenen malzeme çok ince olduğu zaman da
malzemenin temel özelliklerini yansıtmayabiliyordu. Bununla birlikte bir başka sorun da
numuneden geçen elektron demetinin çok kısa bir sürede soğruluyor olmasıydı. Bu sorunların
çözümü için yüksek voltajlı elektron mikroskopları yapıldı. 1959’da G. Duppoy ve
arkadaşları ilk yüksek voltajlı elektron mikroskobunu tasarladılar. Bu mikroskoplarda
istenilen kalitede görüntü elde edilebilmesi için çok yüksek gerilimler(1-3 milyon volt gibi)
kullanılmaktaydı. [18]
Bu yöntemde kullanılan elektron demetindeki elektronların enerjisi 100 ~ 500 kilovolt
civarlarında değişir. Yüksek enerjili elektron demeti, birtakım manyetik mercek
sistemlerinden geçtikten sonra numune üzerine odaklanır, malzemeden geçtikten sonra yine
manyetik mercek sistemlerinden geçer ve ekrana yansıtılır. TEM’in yapısı şematik olarak
şekilde gösterilmiştir. Şekil 4.8.’de gösterilmiştir.[18]
Geçirmeli elektron mikroskobunda elektronların, numunenin içinden geçip gidebilmesi için
malzeme kalınlığı birkaç yüz nm’yi geçmemelidir. Dolayısıyla TEM görüntüsü alınacak
numuneler özenle hazırlanmalıdır.
TEM mikroskobu günümüzde kullanılan en güçlü elektron mikroskobudur. Kolay bir
kullanımının yanında görüntüleme kararlılığı ve 100 ~ 500 kilovolt faz aralığı ile birçok
araştırma laboratuarının birinci tercihidir. Cihaz 0.14 nanometreye kadar gösterim gücüne
sahiptir. Bu yöntemde elektronların dağılımına bakılarak malzemenin manyetik yapısı
hakkında bilgi edinilir. [17]
33
Şekil 4.8 TEM’in çalışma prensibi[35]
Şekil 4.9 TEM nanofiber görüntüsü, ölçü = 200 nm.( Sheikh akbar Ph.D., Purdue University,
1985)[35]
34
Şekil 4.10 Kolojen(protein) fiberleri, TEM[34]
TEM’in elektron enerjisi kaybına göre veri elde eden spektroskopi yöntemi ve mikroskopta
numuneden geçip giden elektronların dağılımına bakarak numunenin manyetik yapısı
hakkında bilgi veren Lorenz yöntemleri vardır.
Şekil 4.11 FEI firmasının ürettiği TEM[23]
35
4.3 Taramalı Sonda Mikroskobu
Taramalı sonda mikroskobu, sonda adı verilen iğne şeklinde bir ucun tarama yapabilen
piezoelektrik bir kola tutturulması ile moleküler ölçeklerde görüntü elde eden yöntemdir.
Sonda uç, numunenin yüzeyine çok yakın bir mesafede yüzeyi tarayarak görüntü verir.
Taramalı sonda mikroskobu, iki farklı yöntem şekilde uygulanmaktadır. Bunlardan biri
taramalı tünellemeli mikroskop, diğeri ise atomik kuvvet mikroskobudur. Taramalı sonda
mikroskopları yardımı ile gerçek manada göremeyeceğimiz atomların nasıl dizildikleri
hakkında resim elde ederiz.[17]
4.3.1
Taramalı Tünelleli Mikroskop (Scannig Tunneling Microscope- STM)
Geliştirilen teknolojilerle beraber yakın zamanda tasarlanan tarama mikroskobudur. G.Binnig
ve H.Rohrer tarafından 1981'de bulundu. STM yanal çözünürlüğü 0.1 nm, derinlik
çözünürlüğü 0.01 nm çözünürlükle işlem yapar. Bu yöntemde piezoelektronik uç kullanıldığı
için önce bir cisim ne zaman piezoelektronik olur onu belirtelim; cismin uçlarına stres
uygulandığı zaman, elektrik yükleri oluşuyorsa; ya da cisim elektrik alanına sokulduğu
zaman, cisim üzerinde bir stres oluşturulabiliyorsa bu cisim piezoelektroniktir denilir.[16]
Piezoelektronik uç uygulanan voltaja göre uzayıp, kısalabilir. Yöntem sadece iletken
yüzeylerde kullanılabildiği için(çünkü ölçüm akım varlığında oluyor), taranan yüzey çok
temiz olmalıdır. İletken uç ile iletken numune yüzeyi arasında yaklaşık 1 Voltluk bir ön
gerilim uygulanır. Sivri uç, olabildiğince sivri olmalıdır. Tarama yapıldığı için, tarama
işlemleri yavaştır. Aynı zamanda elde edilebilecek maksimum görüntü büyüklüğü de küçük
olmaktadır.[23]
36
Şekil 4.12 STM’nin Şematik gösterimi[23]
Taramalı tünellemeli mikroskop ile, geribildirim mekanizması sayesinde sivri ucun sübstratla
arasındaki mesafenin değişmemesi sağlanır. Uç mesafeyi korumak için yukarı çıkarsa, bu
bilgi sayesinde bölgede bir tümseklik olduğunu anlaşılmış olur. Yine aynı şekilde, uç aşağı
inerse çukur, sabit kalırsa düz bir yüzey olduğu bilgisini verir. [17]
STM yönteminde kuantum mekaniğine göre; normalde bir parçacık potansiyeli yüksek bir
engeli aşamazken (mesela top duvarın içinden geçemez), kuantum fiziğine göre bu durum
mümkündür. İşte bu geçebilme özelliği tünelleme olarak adlandırılıyor.[23]
37
Tünelleme ile sivri uç ve yüzey arasında bir akım geçişi meydana gelerek yüzey atomları
hakkında bilgi edinilir. Kullanılan piezoelektrik sivri uç olarak, genellikle volfram ya da
platinyum-iridyum kullanılır. Yakın zamanda karbon nanotüpler de uç olarak kullanılmaya
başlanmıştır.[1]
Şekil 4.13 Volframdan yapılmış bir sivri uç[23]
STM’de sivri piezoelektrik uç, bir tünelleme etkisinin gözlemlenebileceği mesafeye kadar
incelenecek numune yüzeyine yaklaştırılır. Tünelleme sağlanınca, sivri uçla yüzey taranır.
Ucun yüzeye olan uzaklığının, konuma göre fonksiyonu çizilirse topografik bir görüntü elde
edilmiş olur. Uç ile yüzey arası mesafe, aralarına voltaj uygulandığı zaman oluşan elektrik
tünelleme akımı sayesinde ölçülür.[23]
Şekil 4.14 Sabit akım veya sabit yüksekliğe göre STM[23]
38
Sabit akımda uç ile yüzey arası mesafe sabittir. Bu ise geribildirim sistemi sayesinde sağlanır.
Sabit yükseklikte ise geribildirim mekanizması yoktur. Sivri uç ilk başta belirlenen
yükseklikte bütün yüzeyi tarar ve tünelleme akımını ölçer. Akımdaki değişime göre yüzeyin
topografik görüntüsü çıkarılır. Akım azalırsa, demek ki uç ile yüzey arası mesafe artmıştır, o
zaman yüzeyin bu kısmı çukurdur. Benzer şekilde, akımın arttığı yerde yükseklik vardır.
Ancak sabit yükseklikte, sivri uç yüksek bir bölgeye geldiği zaman, yüzeyi zedeleyebilir.
Fakat, sabit yükseklikte elde edilen görüntülerin çözünürlüğü yüksektir ve daha hızlıdır. O
yüzden, yüzey başta sabit akım modunda tarandıktan sonra bir de sabit mesafe modunda
taranırsa daha güzel görüntüler elde edilebilir. Başta sabit akımla taramamızın nedeni, sivri
ucun yüzeye zarar vermesini engellemektir. Sabit akımla taradıktan sonra, uç ile yüzey
arasındaki mesafeyi, yüzeye zarar vermeyecek şekilde ayarlayabiliriz.[16]
STM sayesinde numune malzemelerde, bölgenin elektronik durumu hakkında bilgi edinilir,
Yüzey pürüzlülüğü ölçülebilir ve metal yüzeylerin üç boyutlu görüntülerini elde edilir. Ancak
mikroskop düzeneğinin vakumlu ortamda olması gerekirken, ölçümler de düşük sıcaklıkta
yapılmaktadır.(Helyum gazı sıcaklığında ~ 4.2 Kelvin) [16]
Taramalı tünellemeli mikroskop yönteminin de birkaç çeşidi vardır. Bir tanesi polarize spinli
taramalı tünellemli mikroskop türüdür. Bu yöntemde mıknatıslı uç kullanılarak manyetik
yüzeylerin incelenmesi yapılabilir. Diğer bir çeşidi de balistik elektron yayınlayan mikroskop
türüdür. Bu yöntemde numune katkılı yarıiletken ince film ise, uç ile numune arasında balistik
elektron akımı oluşturur. Balistik elektronlar saçılma olmadan ilerleyen elektronlardır.
Böylece balistik elektron akımı ölçümü ile numune içindeki saçılma olayları hakkında bilgi
edinilmektedir.[1]
4.3.2
Atomik Kuvvet Mikroskobu (Atomic Force Microskope-AFM)
Taramalı sonda mikroskobunun bir diğer uygulama yöntemi de AFM’dir. Bu mikroskoba
taramalı kuvvet mikroskobu da denilmektedir. 1980'lerde geliştirilen atomik kuvvet
mikroskobu, göreli olarak kolay kullanımı, üzerinde çalışılan numunelere zarar vermemesi
gibi avantajlarıyla sıkça tercih edilmektedir. [2]
39
Atomik boyutlara kadar sivriltilmiş bir iğne ucu yardımıyla, yüzeyin yüksek çözünürlükte, üç
boyutlu görüntülenmesi sağlanır. Görüntüleme, iğne ucunun yüzey ile etkileşiminin
incelenmesi sonucunda gerçekleştirilir. Değişik amaçlar için farklı iğne uçları kullanılır.
Taramalı alan mikroskobunda üç farklı teknik kullanabilmektedir. Bunlar; iğnenin yüzeye
temas ettirilerek uygulandığı temas yöntemi(çekici mod), iğnenin yüzeye temas etmediği
temassız
yöntem(itici
mod)
ve
iğnenin
yüzeye
vurularak
uygulandığı
vurma
yöntemidir(tıklatma modu). Örnek yüzeylerinin görüntülenmesi yanı sıra faz, elektrik
iletkenlik ve manyetik farklılıklar da saptanabilmektedir. Çözünürlük yüksek. Atomik
seviyede görüntüler bu modda elde edilir.[18]
Şekil 4.15 AFM tarama ucu(Özgür ŞAHİN Stanford Üniversitesi/California)[35]
Atomik kuvvet mikroskobu, uç ile yüzey atomları arasında oluşan kuvvetlere göre yüzey
hakkında görüntü verir. Uç bir destek koluna bağlıdır. Atomik kuvvetteki kastımız, kullanılan
ucun en uç atomu ile numune yüzeyindeki atom arasında oluşan kuvvettir. Uç genellikle
silikon, silikon oksit, silikon nitrit malzemelerinden üretilmektedir. Üretiminde fotolitografik
teknikler kullanılır. [17]
40
Şekil 4.16 AFM ucuna lazerle kuvvet uygulama[35]
Atomik kuvvet mikroskobunun bir diğer uygulanma yönteminde ise ucu taşıyan kolun üstü
bir metal kaplama yardımı ile ayna özelliği kazandırılır ve kol’a bir lazer kaynağından lazer
demeti gönderilerek kol’a kuvvet uygulanır(kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet).
Uygulanan kuvvete göre kolda eğilme meydana gelir. Eğilme miktarına göre atomik kuvvet
ölçülür. Koldan yansıyan demetler iki fotodiyottan oluşan bir sisteme çarpar. Eğer kolun
konumu değişmiş ise bir diyot daha fazla akım üretir, akımdaki bu değişime göre koldaki
sapma değeri belirlenmiş olur.[18]
Taramalı tünellemeli mikroskopta değindiğimiz sabit yükseklik veya sabit kuvvet durumu
Atomik kuvvet mikroskobunda da uygulanmaktadır. Birinci durumda mesafeler sabit
tutulurken, geri bildirim sistemi ile kuvvet değişimleri tespit edilir. Sabit kuvvet durumunda
ise kuvvet sabit olup mesafe değişikliklerine göre yüzey atomları hakkında bilgi edinilir.[35]
Standford Üniversitesinde çalışmalar yapan Dr. Özgür Şahin atomik kuvvet mikroskop
üzerindeki çalışmalarında şu yeniliği ortaya koymuştur; geliştirmiş olduğu yönteme göre
tarama yapan sivri ucu taşıyan kol küçük titreşimlerle hassas bir şekilde yüksek frekanslarda
titreşime maruz bırakılıyor.
41
Her salınışta kol yüzeye hafifçe çarpar. Yöntemde kol saniyede yüzbinlerce kez salınacak
hassasiyettedir, ve kol yüzeye hiçbir zarar vermemektedir.[35]
Üretilen bu hassas kol sayesinde numunenin yüzeyinin mekanik ve kimyasal özellikleri kol
üzerinde büyük sayılarda titreşimlere sebep olduğu görüldü. Fakat bu titreşimlerin çok cılız
olduğunu fark eden Şahin, kolun üstünde yapılacak küçük bir değişiklikle, bu titreşimlerin
1.000 kat daha etkili hale gelebileceğini bulunca, yeni tasarıma dayanan bu küçük
kolları(cetvelleri) üretti ve yaptığı deneyler, bu yüksek frekanslı titreşimlerin gerçekten de
yüzeydeki moleküllerin kimyasal yapısına ilişkin bilgiler taşıdığını gösterdi.[36]
Bu yöntem, sivri ucun yüzeye vurup geri çekilmeye başlaması sırasında geçen sürenin
ölçülmesi ile veri elde edilmesine dayanıyor. Malzemelerin sertlik ve yumuşaklıkları;
malzemelerin
kimyasal
yapılarındaki
farklılıklardan
kaynaklanmaktadır.
Dolayısıyla
incelenene yüzeyin sertlik veya yumuşaklığına göre yüzey malzemesinin kimyasal yapısı
hakkında bilgi elde edilir. Örneğin ucun temas ettiği yüzey sert bir yüzeyse uç hemen geri
dönüyor ve geçen süre çok az oluyor, ama ucun temas ettiği yüzey yumuşak bir yüzey ise uç
daha fazla batıp öyle çıkıyor ve bu esnada tabiî ki daha fazla zaman geçirmiş oluyor.
İşlemdeki zaman farkları saniyenin milyarda bir seviyelerindedir. Bu zaman farkları kolun
üstündeki yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla ölçülebiliyor.[36]
Atomik kuvvet mikroskoplarının bazı farklı uygulanma yöntemleri:
Manyetik kuvvet mikroskobu: Yüzeyin manyetikliği hakkında bilgi elde etmek için
mıknatıslı sonda kullanılarak yüzeyin taranması işlemidir.
Elektrostatik kuvvet mikroskobu: Bu yöntemde de anlaşılacağı üzere mıknatıslı uç
kullanılarak, uç ile yüzey arasında gerilim meydana getirilir ve bu sayede numune yüzeyinin
potansiyel görüntüsü hakkında bilgi elde edilmiş olur.
Kimyasal kuvvet mikroskobu: Yüzeyin kimyasal tepkimeleri hakkında bilgi sahibi olmak
için mikroskop sondasına bir takım moleküller tutturularak, sonda ile yüzey arasında
etkileşim sağlanmış olur. Bu etkileşim sayesinde veri elde edilmiş olur.[16]
42
Manyetik rezonans kuvvet mikroskobu: Numunenin yüzeyindeki polarize çekirdek
spinlerini tespit etmek için bu yöntem kullanılır. Çalışma prensibi; Titreşen mıknatıslı kol ile
çekirdek spinlerinin rezonansa gelmesi ilkesine dayanır.
Şekil 4.17 Nanoyüzük[21]
Nanoyüzük: atomik kuvvet mikroskop ucu kullanılarak 2 boyutlu elektron gazının (2DEG)
yerel anot oksitlenmesi sonucu oluşan 4 terminalli bir nanoyüzük. Yükselmiş beyaz çizgiler
2DEG'i ihtiva eden heterojen bir yapı olan GaAlAs yüzeyindeki oksitleri temsil ediyor. Bu
oksit çizgilerinin yükseklikleri ortalama 15 nm ve yüzeyin içine doğru giriyor ve elektron
gazının orada hendekler oluşturuyor. Yüzüğün çapı yaklaşık 1 mikron. (Dr Andreas Fuhrer,
Prof. Ensslin Nanofizik GrubuETH Zürih/İsviçre)[24]
43
Şekil 4.18 AFM ile tasarlanan en küçük Türk bayrağı
Bilkent Üniversitesi Fen Fakültesi, Fizik Bölümü ve DPT destekli Ulusal Nanoteknoloji
Araştırma Merkezinde, Dr.Ahmet Oral liderliğinde
Münir Dede
Özgür Karcı
Özge
Girişen Hülya Ayan Mehrdad Atabak ve Sevil Özer'den oluşan araştırma grubu daha ikinci
denemelerinde çizgileri 100 nanometre genişliğinde ve 2 nanometre yüksekliğinde olan
dünyanın en küçük Nano-Türk Bayrağını çizmeyi başardılar. Araştırma görevlileri silikon bir
çipi tuval olarak kullanarak yüzeyi kendi geliştirdikleri çok hassas mikroskop ile tararken
atomik düzeyde sivriltilmiş bir iğneden voltaj darbeleri gönderip
silikon yonganın
oksitlenmesini sağladılar. Nano-Bayrağın yüksekliği yaklaşık olarak 10 atomik tabaka silikon
oksitten oluşmaktadır.[4]
4.4 Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop
Optik mikroskoplarından sonra geliştirilen ilk yöntem, yakın alan taramalı optik
mikroskobudur. Yakın alan taramalı mikroskopta numune yüzeyine gönderilen ışık
dalgalarına göre numune hakkında görüntü elde edilir. Bu yöntemde nano ölçeklerde hassas
bir şekilde bilgilerin elde edilmesi için şerit şekline getirilmiş optik fiberle(~ 100nm
kalınlığında) atomik kuvvet mikroskoplarının çalışma prensibine benzer şekilde yüzeyde
gezdirilerek tarama yapılır.[16]
44
İşlem esnasında yüzeyin fiberden gelen ışınlara tepkisi fiber uç boyutları ölçüsündeki
hassasiyette görüntülenerek yüzey hakkında veri elde edilir. Yöntemde kullanılan optik fiber
ne kadar hassas olursa elde edilecek bilgiler de o derece hassas olmaktadır.[18]
4.5 Nanomanyetik Algılama
Nano ebattaki malzemelerin manyetik özelliklerini belirlemek için atomik kuvvet
mikroskoplarındaki
manyetik
kuvvet
mikroskobu
ve
manyetik
rezonans
kuvvet
mikroskoplarının yanında iki ayrı yöntem ve mikroskop çeşidi de vardır. Bunlar süper iletken
kuantum girişim aygıtları ve Hall manyetometrelerdir.[12]
Süper İletken Kuantum Aygıtı: Süper iletken bir halkadan geçen manyetik akının
kuantumlaşması durumudur. Bu halkalar sayesinde nano ebattaki numunelerin manyetik
özellikleri incelenir. Süper iletken malzeme kullanıldığı için çalışmalar çok düşük
sıcaklıklarda yapılmaktadır(~30 Kelvin seviyelerinin altıda). Ayrıca bu tür aygıtlar çok hassas
olduğu için dış manyetik etkilerden çok iyi korunması gerekir, aksi takdirde ölçülen değerin
verilen manyetik seviyeye göre olup olmadığı anlaşılamaz.[12]
Hall Manyetometre: Katmanlı yarıiletken bir malzeme kullanarak Hall sondası yapılır, böyle
katmanlı bir yapıda elektronlar iki boyutta hareket edebilirler(2B’lu elektron gazı elde
etmenin en uygun yöntemi).
Hall sondası atomik kuvvet mikroskobu gibi bir düzenekte kol ucuna yerleştirilerek numune
üzerinde gezdirilir veya sabit bir yerde tutularak numune Hall sondasının üzerinde gezdirilir.
Hall sondasındaki Hall gerilimi ölçülerek numunenin manyetik özelliği hakkında bilgi
edinilir. Bu yöntemin duyarlılığı süperiletken kuantum girişim aygıtındaki kadar değildir.[12]
45
5
NANOTEKNOLOJİNİN HAMMADDELERİ
5.1 Nanobilim Açısından Karbon
Tarihin başından beri insanlar ihtiyaçları doğrultusunda gelişmeler yapmıştır. Ancak zamanla
çevresine baktığı zaman, kendi vücuduna baktığında, doğal şekilde var olan sistemlerin,
malzemelerin ne kadar kusursuz olduklarını keşfetmesi uzun zaman almamıştır. Doğallıktaki
bu güzellikleri ihtiyaçları doğrultusunda irdeleme normal bir içgüdü olmuştur. Nitekim
özellikle son birkaç yüzyılda teknolojilerde yaşanan inanılmaz ilerlemeler malzeme ile olan
ilişkileri de iyice ileri safhalara taşıdı. Günümüzün son teknolojisi nanoteknoloji sayesinde,
malzeme ile iyiden iyiye iç içe girdik.
Özellikle doğal yapı ve sistemleri nicelerken karşımıza karbonun çıkması çok olağan bir
durumdur, çünkü bütün canlıların hayat temelleri karbona dayalıdır(Yapısında karbon
içermeyen hiç bir canlı varlık yoktur). Organik maddelerdeki en yaygın ve vazgeçilmez
element haliyle karbondur. Bileşiklerin %94'ü (4 milyondan çoğu) karbon içerir. Dolayısıyla
nanobilim ve teknolojiler için de karbon elementinin ayrı bir önemi ve yeri vardır.[14]
Nanoteknolojideki en büyük avantaj moleküler seviyelerde dizayn yapabilme heyecanıdır. Bu
durum tarihlerdir DNA’larımızda işlerken, çok klasik karbonun allotropları olan elmas ile
kömürün arasındaki tek farkın atom dizilişlerinden kaynaklandığını da biliyorduk. Ancak
buradaki gizem nanoteknolojiyle aralanmaya çalışılmaktadır. İlk olarak 1985 yılında altmış
tane karbon atomunun futbol topu şeklinde bir kafes yapısı halini alarak oluşturduğu C60
molekülünün, deneysel olarak ilk defa elde edilmesinin, nanobilimin kapısını iyice
araladığını söyleyebiliriz.[14]
C60’ın keşfinden hemen sonra, 1991 yılında yine deneysel olarak ilk defa karbon nanotüp
yapılarının elde edilmesi bu alandaki deneysel ve kuramsal çalışmaları hızlandırdı. Nanoyapı
olarak karşımıza ilk çıkan bu karbon nanoyapılar küçük ölçeklerde tasarımların
yapılabileceğini somut olarak ortaya koymuş oldu. Daha sonraki araştırmalarda farklı
malzemelere de yönelmeler olsa da esas aştırma ve geliştirme alanları şimdilik karbon
üzerinden ilerlemektedir. Çünkü bu alanda ilk keşfedilen element karbondur ve doğal
malzemelerin birçoğunun içeriği de karbon esaslıdır.[14]
46
Karbon: Karbon atomlarından oluşan malzemelerin karbon atomlarının bağlanma
geometrilerine göre çok farklı fiziksel ve kimyasal özellikler göstermektedirler. Yaşamın
dayandığı temel işlevleri yerine getirmek için yeterli çeşitlilikte ve karmaşıklıkta
düzenlemeler oluşturarak başka elementlerle birleşme yeteneği, yalnızca karbonda vardır.
Karbon atomunun böyle bir özelliğe sahip olmasının sebebi yapısında altı tane elektronunun
olmasıdır. Serbest karbon atomunun 1s kabuğunda iki elektron, 2s ve 2p kabuklarındaysa bağ
oluşturmaya hazır dört değerlik elektronu bulunur. Metallerden ve ametallerin birçoğundan
farklı olarak, karbonda bağ oluşumu, kovalent (ortaklaşa) niteliktedir. Bunun nedenlerinden
biri, karbonun atom sayısının küçük olması, bu nedenle de, atom çekirdeğine yakın olan
değerlik elektronlarını çok sıkı tutmasıdır. Karbonun bu özelliklerinden dolayı doğada tek
olması, karbonu rakipsiz yapmakta ve belki de dünyada hayatın karbon esaslı olması bu
sebepten ötürü olmaktadır. [12]
Şekil 5.1 Karbon atomlarının bağlanma şekilleri
Karbon esaslı malzemeler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
Karşıımza çıkan en önemli ve ilgi çekici karbonlar, elmas ve grafit allotroplarıdır. Kimyasal
yapıları aynı olmasına rağmen geometrik dizilişlerinin farklı olmasından dolayı apayrı
özellikler göstermektedirler. Buradaki her bir farklı şekil farklı bir malzeme anlamına gelir.
Karbon elementi her üç bağlanma geometrisini gösterebilen tek element olması bakımından
istisnai bir özelliğe sahiptir.[12]
47
Elmas: Saf elmas, bilinen en sert doğal maddedir. Normalde renksiz ve saydam iken, başka
minerallerle arılığı bozulduğu zaman, pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çeşitli
renklerde bulunabilir. Elmas ısıyı ileten en iyi malzemedir ve elektrik yalıtkanıdır.
Şekil 5.2 Elmasın geometrik yapısı
Elmasın üstün özellikleri, birbirine kenetlenmiş dörtyüzlü karbon atomlarının oluşturduğu
kristal yapısından kaynaklanır; bu atomların her biri, en yakın dört komşusuna ortaklaşa
bağlanmıştır. Karbon-karbon bağının olağanüstü dayanıklılığı ve ortaklaşa bağlarla
kenetlenmiş yapısı, elmasın sert ve eylemsiz olmasını sağlamaktadır.[12]
Grafit: Grafit, karbonun diğer bir allotropudur. Kurşun kalemden bildiğimiz grafit; yumuşak,
yağlı, kâğıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir. Grafitte her bir karbon atomu aynı
düzlemde bulunan diğer üç atoma altıgen halkalar oluşturacak şekilde bağlanır. Oluşan ağ iki
boyutludur ve bu şekilde meydana gelen tabakalar birbirine zayıf Van der Waals kuvveti ile
bağlanır. Bu yüzden, tabakala birbirlerinin üzerinde kolayca kayar. Grafit, yağ haline getirilip
makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşılmasını azaltmak ya da engellemek
amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Grafitin günlük hayatta birçok kullanım alanı
bulunmaktadır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten
yararlanılmaya başlanmıştır.[12]
Şekil 5.3 Grafitin geometrik yapısı
48
Karbon şiberler: Özellikle yüksek mukavemet dayanımı gereken yerlerde kullanılırlar, grafit
özellikli, silindir şeklinde ve farklı kesit yapıları olan bir malzemedir.[13]
Camsı karbon: Daha çok polimerimsi ve gözenekli yapıda olan bu malzemeler hazırlanış
durumlarına göre farklı özellikler gösteren sert bir malzemedir.[13]
Siyah karbon: Özellikle hidrokarbonlardan hidrojen çıkartılması ile elde edilen karbon
topaklarıdır. Üretilme şartlarına göre farklı isimlendirilirler. Endüstride bazı malzemelerin
mekanik, elektrik ve optik özelliklerini düzenlemek için dolgu maddesi olarak kullanılan
karbon türüdür.[14]
Karbin ve karbolitler: Zincir veya polimer şeklindeki bu yapılar genellikle hızlı soğutma
işlemlerinden sonra meydana gelir, kristal yapıda da oluşan karbinler sert bir yapıya
sahiptirler.[14]
Amorf karbon: Uzun mesafeli düzeni olmayan, bazen kısa mesafeli düzeni olan, genellikle
düzensiz yapıda oluşan karbon malzemedir. Hazırlanış şartlarına göre fiziksel özellikleri
değişebilir. Amorf yapıda atomlar birbirleriyle (%90) sp3 ve (%10) sp2 şeklinde bağlanırlar.
Şekil 5.4 Amorf karbon geometrik yapısı
Sıvı karbon: Elmas, grafit veya başka bir yapıdan ergitilerek (4450 K)elde edilen ve metal
özelliği yüksek olan bir malzemedir.
49
5.1.1
Karbon Nanoyapılar
Karbon; elmas ve grafit gibi,ve yukarıda sıraladığımız örneklerinden başka, sonlu boyutlarda
(nanometre ölçülerinde) sağlam yapılara sahip olması bakımından da ilginç bir elementtir.
Son dönemde yapılan araştırmalarda C60 topunun ve ardından da karbon nanotüpün keşfi
karbon nanoyapılara olan ilgiyi yoğunlaştırdı. Karbonun nanoyapıları genellikle top, tüp,
çubuk ve halka şeklinde sınıflandırabiliriz.[7]
Karbon esaslı malzemelerin sp, sp2, sp3 şeklinde bağ yapmaları aynı zamanda bu
malzemelerin boyutu ile de ilişkilendirilebilir. Karbon periyodik tabloda mevcut elementler
içerisinde sıfır boyuttan 3B’a kadar izomerleri olan tek elementtir. İlginç bir şekilde, 3
boyutlu karbon, yarı iletken elmas yapıdan, 2B’lu yarımetalik grafite, 1B’lu iletken ve
yarıiletken nanotüplere ve sıfır boyutlu nanotoplara kadar farklı kararlı yapıları ve birçok
farklı özelliği olan harikülade ve yegane elementtir.[7]
Karbon nanoyapılar 1B’lu ve 0B’lu karbon yapılarıdır ve bunlara nanotüpler ve nanotoplar
denilmektedir. Bu yapılar nanometre ölçülerindedir. Dolayısıyla karbon toplar, tüpler ve
çubuklar
karbon
başlamasında
en
nanoyapıların
asıllarını
oluşturmaktadırlar.
önemli
oynayan
karbon,
rolü
Nanoteknoloji
nanoyapılarda;
daha
çağının
şimdilerden
nanomakinelerin, nanorobotların vazgeçilmez elemanı olmaktadır. Hatta bu nanoyapılar,
nanosistemlerin yapılmasında, şimdilik tek aday durumundadır. [9]
5.1.1.1 Karbon Nanotoplar
Fulleren de denilen karbon nanotoplar, birkaç karbon atomunun, aralarında bağ oluşturarak,
top şeklinde kafes yapıları meydana getirmeleridir. 1984 yılında R.E. Smalley ve arkadaşları,
Grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken, karbon atomlarının, topaklar halinde ve farklı
büyüklüklerde top biçimli kafes yapılar oluşturduğunu farkettiler. Bu toplar, 20-130 kadar
karbon atomu içeriyordu ve bu buharlaştırma esnasında oluşan topların, yaklaşık olarak %75
kadarını 60 atomlu toplar (C60), %23 kadarını da 70 atomlu toplar(C70) oluşturmaktaydı.
Kalanı ise farklı atom sayılarındaki fullerenlerden oluşmaktadır.( C70, C76 ve C84 molekülleri
gibi)[14]
50
Fullerenler bir karbon allotropu ailesidir. Şekilleri bir futbol topnun andırdığı için ve bir
mimar olan Richard Buckminster Fullerin de mimari yapıları hep bu şekilde olduğu için ona
atfen bu isim verildi. Küre yapılılara buckyball denir. Fullerenler tamamen karbon atomundan
oluşur ve küre, ellipsoit veya tüp şeklinde olabilirler. Bazen de bu yapılar silindirik şekilde
olabilmektedirler ve bunlara da karbon nanotüp denilmektedir.[9]
Şekil 5.5 Karbon nanotop, fulleren (C60)
Fullerenler içinde en yüksek mekanik dayanıma sahip olan C60 toplarıdır. Bu topta atomlar
birbirleriyle sp2 şeklinde bağlanmaktadırlar. Bu bağ, Grafit atomlarının yaptığı bağ şekline
benzemektedir. Karbon nanotopların, en çok üretilen ve yaygın olarak kullanılan biçimi, (C60)
atomudur. Bundan elde edilen küre şeklindeki C60; 12 yüzlü simetri, 12 adet beşgen ve 20
adet altıgen yüzden oluşur.[9]
Karbon nanotoplar, genellikle küre şeklinde bir kafes yapısına sahiptir. Bu ise karbon
atomlarının, beşgen ve altıgen yüzeyler oluşturmalarından kaynaklanıyor. Tek duvarlı
olabildikleri gibi, iç içe geçmiş yapıda olanları ya da ikili gruplar (dimer) halinde bulunanları
da mevcuttur.(9)
Karbon nanotoplar, hem saf olarak, hem de katkılandırılmış olarak da elde edilebiliyorlar.
Karbon toplar, yerleştirildikleri kristal yüzeylerinin, elektronik ve optik özelliklerini
değiştiriyorlar. İki yüzey arasında zıplayarak hareket edebilen topların, bu özelliğinden
faydalanarak, nano transistörler ve hatta tek elektron transistörleri yapmak mümkün
olmaktadır.[7]
51
Nanoteknolojik olarak fullerenlerin birçok yerde kullanılacağı tahmin edilmektedir. Örneğin
Mart 2008'de fullerenlerin içinde ağırlıklarının %8'i kadar hidrojen depolayabilecekleri
bulunmuştu, bu buluş hidrojenin yakıt olarak kullanılmasındaki en büyük sorunu teşkil eden
hidrojeni depolama sorununa çözüm olacak gibi durmaktadır. Bunun yanında, fullerenlerin ısı
direnci ve süperiletkenlik özellikleri üzerinde de çok durulmaktadır. [23]
Fullerenlerin bazı özellikleri:
Fullerenler çok reaktif yapılardır.
Ayrıca
fullerenlerin
molekül
tanıma
uygulamalarında
da
kullanılması
düşünülmektedir( HIV virüsü tesbiti gibi)
C60'ın fiziksel özellikleri: Ağırlık bakımından yoğunluk: 1.72 g/cm3,
Moleküler yoğunluk: 1.44 x 1021/cm3
İki karbon arası ortalama uzaklık: 1.44 Å
Dış Çap: 10.18 Å
Atom başı bağlanma enerjisi: 7.4 eV
Kaynama noktası: 800 K'da süblimleşiyor v.b. [ybnc]
Fullerenler birçok çözücüde çözünebilmektedirler. En yaygın olanları toluen ve karbon
disülfittir. Fullerenler bu sıvılarda çözüldüğü zaman; saf C60 fulleren mor rengi, C70 kırmızı
kahverengi rengi alır. Fullerenler oda sıcaklığında bir çok çözücüde çözünebilen tek karbon
allotropudurlar[nntrky]
Bazı top fulleren çeşitleri: Buckminsterfullerene ve Bor buckyball'u
Tüp fulleren çeşitleri: Nanotomurcuk ve Nanotüp
52
Karbon Nanotopların Kullanım Alanları:
Nanotoplar, kaplama elemanları olarak malzemeleri fazla ve zararlı ışıklardan
korurlar.
Karbon toplar içeren polimerler, foto-iletkenlik özelliği gösterir. Bu nedenlede,
Karbon nanotoplar, fotodiyot, transistor olarak ve ayrıca güneş pillerinde kullanım
alanı bulmaktadırlar.
Bunların yanı sıra, fullerenler; oksitlenmeye karşı iyi bir koruyucu görevi yaparlar.
Bir diğer dikkat çeken önemli özelliği kendi ağırlığının 300 milyon katı kadar bir
ağırlığa dayanabilecek sağlamlıkta olmalarıdır.
Suda çözülebilen karbon topu türevlerinden oluşturulan bir maddenin, HIV virüsünün
faaliyetlerini sınırladığı deneylerde gözlemlenmiştir.
Yine günümüzün büyük problemi olan enerji yönetimi ve çevre kirliliği konusunda
büyük bir çözüm olan hidrojen yakmada en büyük kısıtlayıcı etmen olan hidrojeni
depolama işlemi, fullerenler sayesinde çözülebilecek gibi görünüyor. Bunu yanında
yüksek enerjili pil yapımında da kullanılmaktadır.[6]
5.1.1.2 Karbon Nanotüpler
İlk defa Japon bilim adamı Lijima 1991’de yaptığı çalışmalarda karbonun tüp şeklinde yapılar
meydana getirdiğini gözlemledi. Karbon grafit’ten "arc-discharge" buharlaştırma yöntemiyle
yapılan deneylerde, grafit plakasının kıvrılarak silindir şekline gelmesiyle içi boş boru halinde
tüplerin oluştuğunu Lijima gözlemledi.
Karbon nanotüpler üç farklı yönde oluşurlar;
1- Zigzag geometri
2- Sandalye kolu geometri
3- Çapraz geometri
53
Şekil 5.6 Karbon nanotüp oluşumları
Karbon nanotüpler, geometrilerine bağlı olarak yarı-iletken ve metalik özellik gösterirler. Hiç
bir katkı maddesi olmaksızın, nanotüpün, geometrik parametrelerinin değiştirilmesiyle,
elektronik özellikleri de değiştirebilir. Tüplerin elektronik uygulamalarda, önemli bir yeri
vardır. Çok esnek ve sağlamdırlar. [27]
Şekil 5.7 Tek duvarlı karbon nanotüp[27]
54
Küçük çaplı (yaklaşık 1-2 nanometre) tüplerden oluşturulmuş bir demeti, koparabilmek için
uygulanan çekme kuvveti, yaklaşık 36 gigapaskaldır. Kovalent bağ ile bağ yaparlar. Buna
göre, nanotüp fiberle, gerilmeye karşı en sağlam malzeme özelliğini taşımaktadır.[27]
Nanotüp yapısında, Grafit plakalarında olduğu gibi sadece altıgen şekiller bulunuyor ve her
atomun sadece üç komşusu var. Düzgün karbon nanotüp yapılarda, atomlar, birbirleri ile sp2
şeklinde bağlanıyor. Her ne kadar nano boytularda tüpler çok sağlam bir yapıya sahip olsalar
da bu tüplerdeki önemli bir sorun, makroskopik ölçülere gelindiğinde tüpün kırılgan bir
yapıya dönüşmesidir. [26]
Nanotüpler tek katlı(duvarlı) oldukları gibi çok katlı da olabilmektedirler.
Şekil 5.8 Çok katlı bir karbon nanotüp modeli[26]
İletken ve elektrik alanına duyarlı oldukları için, elektronik malzeme olarak manyetik ve optik
nanoaygıt yapımında; ayrıca hafıza elemanı, kapasitör, transistor, diyot, mantık devresi ve
elektronik anahtar yapımı gibi geniş bir elektriksel uygulama alanı bulunmaktadır.[26]
Karbon nanofiberler, çok geniş yüzey alanına sahiptir. Nanofiberin kütlesiyle alanı arasındaki
oran, normal malzemelere göre çok büyüktür. Örneğin kütlesi 1 gr. olan bir karbon nanotüp
fiberin alanı, 300 m2 yi bulabiliyor. [14]
Karbon nanotüp fiberlerin bu özelliği sayesinde, nanometre düzeyinde süper kapasitörler;
dolayısıyla da yapay kas üretimi mümkün olabilecek. Hidrojen depolamaya da olanak
sağlayan geniş yüzey alanı, Karbon nanotüp fiberleri, potansiyel enerji depolama malzemesi
haline getiriyor. [26]
55
5.1.1.3 Karbon Nano Çubuklar
Karbon nano çubuklar iç içe geçmiş çok duvarlı nanotüplerin aralarındaki mesafe belli bir
değerin altına indiği zaman tüp atomları birbirleriyle bağ yaparak nanoçubuk yapılarını
meydana getirmektedirler. Dolayısıyla çubuklar, içi tamamen veya kısmen dolu tüp
yapılardan oluşuyor. Çok duvarlı tüplerde tüpü oluşturan karbon atomları arasındaki mesafe
genellikle, bağ uzaklığından fazladır. Eğer bu mesafe, karbon atomlarının bağ yapmalarına
olanak verecek kadar küçülürse(< 0.15 nm), o zaman karbon atomları birbirleriyle (sp3 gibi),
bağ kurarlar. Bu şekilde her atomun, dört bağlı komşusu bulunmuş olur. Karbon
nanoçubuklarda tüpler birbirini etkiledikleri için esneklik tüplere göre daha zayıftır. Özellik
olarak ta birçok yönden tüplerden farklılıklar gösteririler.[30]
6
NANOİMALAT
Nanomalzemelerin var olabileceği ilk önce düşünce safhasındaydı, 1959 yılında Feynman’ın
aşağıda daha çok yer var öngörüsü, bu çağın başlangıcı olurken, ortada henüz somut bir
gelişme yoktu. Ancak bu düşüncelerden yola çıkılarak yapılan inceleme ve araştırmalarda
gerçektende böyle bir dünyanın olduğu, hatta daha önceleri yapılan gen çalışmalarının da bu
ölçeklerle alakalı olduğu saptandı. En önemli gelişme olarak; 1984 yılında R.E. Smalley ve
arkadaşlarının grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken bu esnada tesadüfen, C60
fullerenini bulmaları ve ardından da karbon nanotüplerin deney yoluyla elde edilmesi bir çığır
oldu.
Bu gelişmelerle beraber, paralel bir şekilde mikroskop teknolojilerindeki ilerlemeler de, artık
küçük âlemleri gözlemleyip inceleme kolaylıklarını sağlamış oldu. Bu doğrultuda önce
düşünce aşamasında tasarlanan ve bilgisayar ortamlarında simülasyonları gerçekleştirilen,
nanoaleme ait dizaynların gerçekten üretilebilmesi için nanoimalat yöntemleri üzerinde
çalışmalara sebep oldu. Yapılan çalışmalar sonucunda nanoüretimi esas olarak, iki ana
yöntem şeklinde ifade edebiliriz; [8]
1- Yukarıdan-Aşağıya doğru (top down)
2-Aşağıdan-Yukarıya doğru (bottom up)
56
Bu ana yöntemlerin isimlerinden de anlaşılacağı gibi, yukarıdan-aşağıya yönteminde katı bir
maddeden, onu yonta yonta yeni bir parça elde etmeye benzetilebilirken, aşağıdan-yukarıya
üretimde ise parçaları birleştirerek büyük bir sistem yapmaya benzer. Bazı durumlarda da her
iki yöntem birbirine karışabilmektedir ki, buna da hibrid üretim diyebiliriz.[8]
Genel olarak yukarıdan-aşağıya imalat külfetli ve zaman alıcıdır, ancak aşağıdan-yukarıya
imalatta ise atom veya molekül seviyesinden başlayarak, nanoyapılara ulaşılır ve bu yöntemle
imalat nispeten daha ekonomiktir.
6.1 Yukarıdan-Aşağıya Üretim(Top-down)
Yukarıdan-aşağıya yaklaşımı, makineler, asitler ve benzeri mekanik ve kimyasal yöntemler
kullanılarak nanoyapıların fabrikasyonu ve imal edilmesi yöntemlerini ifade eder.
Yukarıdan-aşağıya(büyükten küçüğe) üretim yöntemi kapsamında birçok farklı yöntem
uygulanmaktadır. Bu yöntemler; mekanik yöntemler(öğütme, sıkıştırma, ısıl prosesler v.b.),
yüksek enerji yöntemi, ısıl (termik) yöntem, kimyasal yöntem, litografik (baskı) yöntem ve
doğal yöntemler gibi genellikle fiziksel esaslara dayanan yöntemlerdir.[10]
6.1.1
Mekanik yöntemler
Mekanik üretim yönteminde, makro boyutlardaki malzemelere mekanik işlemler uygulanarak
mikro ve moleküler boyutlara indirgeme süreçleridir.
Kesme, haddeleme, dövme, sıkıştırma ve püskürtme (atomizing) gibi bilinen klasik mekanik
yöntemlerle nanoparçalar elde etmek için uygulanan belli başlı üretim yöntemleridir.
Mekanik üretim yöntemlerinde genel olarak fiziksel bir uygulama vardır, kimyasal değişim
söz konusu değildir. [10]
57
Mekanik
Öğütme
Yöntemi:
Sanayide
kullanılan
farklı
öğütme
prosesleri
uygulanmaktadır(bilyeli öğütücüler, titreşimli öğütücüler, ince mekanik öğütücüler, pnömatik
öğütücüler gibi), burada yapılan işlem mekanik öğütücü bir makine ile, malzemeyi makro
ölçülerden atomal ölçülere indirgeme işlemidir. İşlemlerin hassas bir şekilde uygulanması,
öğütücü kazanların olabildiğince temiz olması ve öğütme işlemini yapan (bilyeler gibi)
aparatların özenle seçilip hazırlanması önemlidir.[10]
Şekil 6.1 Öğütücü ve kırıcı tipleri
Öğütme işlem sonucunda meydana gelen tozlardan, çeşitli nanoboyuttaki malzemeler oluşur.
Bunların içinden nanoboyuttakileri ayırmak gerekir. Öğütme yöntemleri ile 20 nm’ye kadar
parçacıklar elde edilmektedir.[10]
58
Isıl (termik) Yöntem: Yukarıdan-aşağıya imalat yöntemlerinde, ilaveten belirlenmiş sıcaklık
değerleri uygulanırsa izlenen yönteme ısıl yöntem denir. Buradaki ısıtma, klasik ısıl
işlemlerdir olup, lazerle ısıtma gibi yüksek enerji yöntemlerini bu yöntemden ayırmak
gerekir.[28]
Dönen Soğuk Yüzeyde Katılaştırma Yöntemi: Bu yöntemde ergitilen malzeme bir nozül
vasıtasıyla dönen soğuk bir yüzeye püskürtülür. Bu işlemde yüksek hızlarda püskürtme ile
malzeme küçük boyutlara inerken, dönen yüzeyde de ani soğuma ile katılaşma meydana
gelmiş olur. Yüzey üzerinde yoğunlaşan bu malzeme nanoboyuttadır.[28]
Gaz Atomizörü: Bu yöntemde yüksek hızlardaki asal gaz, metal ergiyik huzmesine
püskürtülür. Meydana gelen çarpışma sonucu nanoboyutta metal parçacıkları oluşur.
Katılaşma sonucu nanoboyutta taneciklerden oluşan toz elde edilir.[28]
Yüksek enerji yöntemi: Yüksek akım arkı, lazer ve güneş enerjisi altında buharlaştırmada,
sırasıyla yüksek elektrik akımı, monokromatik radyasyon ve güneş radyasyonu katı bir
plakaya yönlendirilerek nanoparçaçıklar elde edilir. Deneysel olarak karbon nanotüpler bu
yöntemle elde edilebilmektedir. Bu işlemlerde katalitik demir, molibden veya krom parçaları
içeren plaka üzerindeki grafit’ten karbon nanotüpler meydana gelir. Yöntemde ayna
sistemlerinden yararlanılarak güneş enerjisinden yaklaşık olarak 3000-4000°C civarında
sıcaklık sağlanabilmektedir.[21]
6.2 Aşağıdan Yukarıya Üretim Yöntemleri
Aşağıdan yukarıya üretim yönteminde temel olarak küçükten büyüğe bir sistemi oluşturmak,
bir ürünü meydana getirmek anlamındadır ve pratik olarak birçok üstün özellikleri bünyesinde
barındırır. Çünkü bu yöntemde sistemin elemanlarını tek tek ele alıp, onlar üzerinde çalışılıp
öyle imal edilir ve dolayısıyla hassas bir şekilde işlenen elemanlardan meydana gelen sistem
de aynı derecede hassas ve istenilen özelliklerde olacaktır.[28]
Nanoteknoloji’deki üretimlerde ise aşağıdan yukarıya imalat demek; atomları, molekülleri tek
tek işleyip bir nanoyapı meydana getirmek demektir. Burada da atomlara hükmedip onları tek
tek tasarlayıp yönlendirmek şüphesiz birçok mükemmel özellikleri elde etmek anlamına
gelecektir. Hayatımızdaki doğal nanoboyutlardaki işleyişler de hep bu şekilde aşağıdanyukarıya imalat yöntemi ile meydana gelmiştir.[7]
59
Dolayısıyla aşağıdan-yukarıya üretim yöntemleri genellikle organik malzemelerde görülür.
Kimya ve biyoloji dünyasına ait faaliyetlerdir.
Doğal sistemlerdeki özelliklere baktığız zaman kendi kendini yenileme, en iyi üretim
ortamlarında meydana gelme gibi durumlar aşağıdan-yukarıya yöntemlerinde görülmektedir.
İlk bakışta aşağıdan-yukarıya yöntemi daha çok biyonano’yu daha çok ilgilendiriyor gibi
dursa da, nanomalzeme üretiminde de önemli bir yöntemdir.[7]
Aşağıdan-yukarıya üretim yönteminde maddenin içinde bulunduğu faz halin önem
kazanmaktadır. Dolayısıyla Gaz fazı yöntemi, Sıvı fazı yöntemi, Katı fazı yöntemi şeklinde
kategorize olmaktadır.
6.2.1
Gaz fazı yöntemi
Bu yöntem, gaz fazında malzemeleri şekillendirme olarak düşünülebilir. Gaz fazında yapılan
işlemlerde enerji gideri düşük olmaktadır. Karbon nanotüpler elde etmek için en uygun
olanıdır. Gaz fazı yöntemleri aşağıdaki şekilde gruplandırılabilir.[7]
Buharlaştırma:
Buharlaştırma
yönteminde
metal
malzemeler
sıklıkla
buharlaştırılmaktadırlar. Malzeme bir vakum odasında buharlaştırılır ve gaz fazına geçen
metal atomları, kaynaktan ayrılırken hızlı bir şekilde enerjilerini kaybederler ve
çekirdeklenme ile gaz fazında atom kümeleri oluştururlar. Bu kümeler gaz fazında yeni
atomların eklenmesi ile büyürler. Oluşan kümeler sistemdeki “cold finger” üzerinde
toplanırlar. Konveksiyon akımları (inert gaz ile ısınan; cold finger ile soğuyan) yoğunlaşmış
küçük parçacıkları toplama kabına taşır. Birikenler kazınarak sıkıştırma cihazına
gönderilir.[7]
Şekil 6.2 Buharlaştırma yöntemi ile imalat
60
Üretilen parçacıkların boyutu 1–100 nm arasındadır ve gaz basıncı ayarlanarak bu
büyüklükler kontrol altına alınabilir. Daha sonra toplanan parçacıklar istenirse sinterlenerek
katı nanomalzeme elde edilir.
Kimyasal buhar çökeltmesi: Bu yöntemde malzeme veya kimyasal bileşikler buharlaştırılır ve
sıcak bir yüzeyler üzerinde ayrıştırılarak küçük boyutlarda malzeme üretimi gerçekleştirilir.
Kimyasal reaksiyonlar, sıcak yüzeylerin üzerinde veya yakınında meydana gelir ve oluşan
ürünler, yüzey üzerine ince film olarak depolanır. Kimyasal; sıcak duvarlı reaktörler, soğuk
duvarlı reaktörler, düşük basınçlı, atmosferik basınçlı, yüksek basınçlı reaktörler, taşıyıcı gazlı
veya taşıyıcı gazsız reaktörler gibi gruplara ayrılırlar. [7]
Aynı zamanda, kimyasal buhar çökeltmesi geniş bir enerji kaynağı çeşitleri de kullanmaktadır. Bu
işlemlerde; plazmalar, iyonlar, fotonlar, lazerler, sıcak filamanlar veya depolama oranını
yükseltici
yanma
reaksiyonları
gibi
birçok
enerji
kaynağı
ile
işlemler
gerçekleştirilebilmektedir.[7]
Bu işlemde yüksek sıcaklık altında gaz fazında olan malzeme, bir plaka veya katalizör
üzerinde nano malzemeye dönüşür. Bu sayede çok saf, yüksek performanslı katı nano
malzemeler elde edilir.
Şekil 6.3 Kimyasal buhar çökeltmesi
Moleküler hüzme (beam) epitaxy: kimyasal buhar çökeltme yöntemindeki gibi, çökeltilecek
malzemelerin buharları, yüksek vakum altında, ısıtılan bir tabaka üzerine yönlendirilir.
Tabaka üzerine çöken atom veya moleküller birbirleri ile bağ yaparak film oluşmasını
sağlarlar. Bu film kalınlığı nano boyutlarda bir filmdir.[28]
Atom tabaka çökeltmesi: yine kimyasal buhar çökeltmede olduğu gibi, bu yöntemde de
hazırlanmış yüzey üzerine buharlaştırılmış malzemenin çökeltilmesi durumu söz konusudur.
61
Bu yöntemde plaka üzerinde her defasında bir molekül kalınlıkta film tabakası oluşturulur.
ZrCl4 ve H2O’nun yüzey üzerinde katman oluşturması şekilde gösterilmiştir.[10]
Sekil 6.4 Atom tabaka çökeltmesi
Yanma: Malzemenin özelliklerine göre yanma işlemi gerçekleştirilirse nanoboyutlarda
malzeme imalatı gerçekleştirilebilir. Örneğin karbon grafit uygun şartlarda yakılırsa, alevinde
tek ve çok duvarlı nano tüpler oluşur. Yanma yöntemi nanokompozit malzemelerdeki çok
duvarlı nanotüpleri oluşturmak için oldukça gelişmiş bir üretim yöntemidir.[7]
6.2.2
Sıvı Fazı Yöntemi
Kimyasal tepkimelerin çoğu sıvı fazda oluşur. Kimyasal olarak malzemelerin bira araya
gelmesini birbiriyle rahatça etkileşime geçebileceği en optimum ortam, sıvı fazda
oluşmaktadır. Çünkü sıvı fazı malzemelerin bir araya gelmesi, tepkimeye girmesi için en
uygun ortamı sağlar.[21]
Biyolojik olaylar da, çoğu zaman sıvı faz ortamında meydana gelir. Protein sentezi, nükleik
asit sentezi, membran sentezi, inorganik biyolojik yapılar (örneğin sedef) gibi oluşumlar,
aşağıdan-yukarıya üretim yöntemlerine doğal örneklerdir.[21]
Çok çeşitli sıvı faz üretim yöntemleri vardır. Nanoparçacıkların da meydana geldiği en iyi
ortamlar sıvı faz ortamları olmaktadır. Sıvı fazda kimyasal tepkimeleri kontrol etmek çok
daha kolaydır. Bazı önemli sıvı faz yöntemlerini şu şekilde sıralayabiliriz;
62
Sol-Jel Sentezi: Sol-jel üretim yöntemi son yıllarda üzerinde çalışılıp önemli ilerlemeler kat
edilen mikro boyutlarda üretim yöntemidir. Esasen bu yöntem, seramik üretiminde kimyasal
bir yöntem olup, kelime anlamıyla solüsyon-jelleşme (solution-gelation) kelimelerinin
kısaltılışı olarak kullanılmaktadır ve bir solüsyonun veya süspansiyonun jelleşebildiği tüm
sistemleri içermektedir. [19]
Bu yöntem özellikle toz, kaplama ve fiber üretiminde önemli bir potansiyele sahiptir.
Genellikle sol-jel metodunda metal alkoksit, su ve alkol içeren çözeltiler kullanılır. Çözeltinin
erken gelişen jelleşme reaksiyonlarını ve tanecik oluşum reaksiyonlarını ayarlamak üzere çok
az bir miktar baz veya asit katalizörü kullanılır. Çözeltilerdeki tanecikler arasındaki
uzaklıkların daraltılması, var olan uzaklıkların korunması için sol-jel iyi bir metoddur.[19]
Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlı bir süspansiyonudur. Kolloid olarak
tanımlanan tanecikler ise 500 nm ve daha altındaki boyutlara sahip taneciklerdir. Jel, kolloidal
parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı
ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.[19]
Sol-jel yönteminde işlemler şu basamaklardan oluşur;
1- Alkoksithidrolizi
2- Peptidleşme veya polimerizasyon
3- Jel eldesi
4- Kalsinasyon/ Sinterleme
Şekil 6.5 Jelleşme mekanizması[19]
Sol-jel yöntemi, nanoteknoloji için birçok olanak sağlamaktadır. Sıvı fazdan kolloidal
nanoparçaçıklar elde etmek için geniş uygulama alanı vardır.
63
Son yıllarda ise ileri nano malzemeler ve kaplamalar üretmek için çok geliştirilmiştir.
Bilhassa metal oksit nanoparçaçıklar ve kompozit nanoparçaçıkların üretimi için çok
uygundur. Düşük sıcaklık gereksimi büyük avantaj sağlamaktadır.[19]
Sekil 6.6 Sol–Jel kaplama
Şekilde Sol-Jel tekniği ile metal oksit kaplama işlemi gösterilmiştir. Görüldüğü gibi kaplanan
plaka solüsyondan çıkarılırken kaplama işlemi oluşmaktadır. Solüsyondan çıkarılış hızı
kaplamanın kalınlığına tesir etmektedir.[19]
Moleküler kendini yapma yöntemi: Bu yöntemde, uygun şartlar sağlandığında, moleküller
aniden bir araya gelerek belli özelliklerde kütle oluşturur. Yalnız reaksiyonun kontrol altına
alınması gerekir. Aksi durumda dengesiz büyümeler görülebilir.
Elektrolitik - elektriksiz çökeltme yöntemleri: Bu elektrolitik yöntem, elektrolitik
(galvanik) kaplama yöntemidir. Nano boyutundaki kalınlıklar için yöntem sıkı denetim
altında uygulanır. Elektriksiz Çökeltme yönteminde ise kaplanacak yüzey bir metal tuzu
içindedir ve metal atomları yüzeyin üzerine çökelir.[21]
64
7
NANOTEKNOLOJİNİN UYGULAMA ALANLARI
Nanobilim ve nanoteknoloji son dönemin popüler ilgi alanıdır. Geçen zamanla beraber
insanların daha ileriye gitmek istemesi, daha rahat bir dünya oluşturma isteği her zaman
tazeliğini korumaktadır. Bu konuda da insanın en çok muhatap olduğu olgu, şüphesiz
malzeme ve malzeme bilimidir. Sağlıktan kıyafete, ulaşım araçlarından uzay ve havacılık
sektörüne günlük hayatta kullandığımız bütün eşyalarda, hayatımıza pratiklik kazandıran her
şeyde malzeme biliminin büyük bir önemi vardır.
Günümüzde birçok konuda önemli gelişmeler yaşanmış özellikle bilgisayar teknolojilerinin
hayatımıza kattığı kolaylıkları yakinen yaşamaktayız. Bilgisayarlarla beraber haberleşmedeki
hızlanmalar iletişimlerdeki mükemmellikler; azalan boyutla beraber etkisini göstermiştir.
Yaşananlar gösteriyor ki genel itibarla malzemelerde, sistemlerde boyutun azalması büyük
hızlanmalara sebep olmaktadır. Kuantum teorilerinden sonra nanoboyutlarda tasarımların
yapılabileceği düşüncesi ve çok geçmeden bunun birçok örnekle ispatlanması büyük bir çığır
açmış durumda. Ancak boyutlar çok küçüldüğünde veya çok büyüdüğünde maliyetlerin de
büyüyeceği ortadadır.
Artık çevremizde nanoteknolojinin sesini daha çok duymakta, hatta üretim safhalarından
geçip ticari bir kimlik kazanan nanoürünler de görebilmekteyiz. Henüz başında olduğumuz
nanodönemin hayatımızda oluşturacağı birçok değişiklik şimdiden görülmektedir. Bir boyut
birimi olduğu için nano birçok disiplini içine almaktadır, ancak nanoteknoloji hakkında
yapılan deneyler, projeler, uygulamaları şu şekilde ele alabilirz;
7.1 Malzeme ve İmalat
Nanoteknoloji gelecekte yapılması beklenen malzeme ve aygıt üretim yöntemlerinin
değişmesini; nano ölçekte işlevi olan malzeme ve aygıtların makroskobik boyutlardaki
malzeme içine yerleştirilmesini ve bunların çok miktarda hatasız bir şekilde üretilmesi için
yeni yöntemlerin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Nanoölçekteki malzemelerin daha hafif
daha sağlam programlanabilir malzemeler olması, daha az malzeme kullanımı, üretim
proseslerinde daha az enerji gereksinimi, artık malzeme üretmemesi gibi avantajlar nano
imalatta önemli hususlardır.[15]
65
Nanoölçekte imalat ‘‘yukarıdan – aşağıya’’ ve ‘‘aşağıdan-yukarıya’’ yöntemleri olmak üzere
başlıca iki kısma ayrılabilir:
Nanoüretim:
1-Yukarıdan-aşağıya yöntemi (Nanoyapıların makroyapılardan üretilmesi)
2- Aşağıdan-yukarıya yöntemi (nano yapıların atomların veya moleküllerin dizilmesiyle
oluşturulması)
Tabiatta mevcut olmayan yeni yapıların tasarlanması mümkün olabilir; biyolojik malzemeler
de dahil olmak üzere düşük maliyetli üretim yöntemleri geliştirilebilir. Muhtemel uygulama
alanları: sonradan işlenmeye ihtiyaç duyulmadan tam istendiği şekliyle nanoyapıda metal,
seramik, polimer malzemeler, nanoölçekte parçacıklardan yapılmış boyalar, nanoölçekte
kaplama yapılmış kesme aletleri, elektronik kimyasal uygulamalar, nanoölçekte yeni ölçüm
standartları, yonga üzerinde nanoölçekte karmaşık ve çok işlevli nanoüretimidir.[15]
Örneğin bir otomotivde nanoteknolojinin ne gibi faydalarını görebiliriz:
1-Nano araba nesneleri taşımanın dışında başka bir şeyi taşımakta faydasız olacaktır.
2-Motorun çeşitli parçalarının üretim süreçlerinin görüntülenmesi için gereken minyatür
algılayıcıların sağlanmasında
3-Araba boyasında, boyaya iyi aşınma direncinin verilmesinde, kendini temizleme işlevinde
ve beklide arabaya yeni estetik efektlerin verilmesinde
4-Ultra güçlü ve ultra hafif ağırlıkta karbon nanotüplerin yeni kompozitler üretmek için
yapısal parçalara yerleştirilmesinde
5-Şaseye yerleştirilmiş algılayıcılarda ve arabanın yapısal sağlığının görüntülenmesi için
kasada ve bunun gibi uygulamalardadır.
7.2 Nanoelektronik ve Bilgisayar Teknolojisi
Nanoölçekte elektronik devre elemanlarının üretilmesiyle bilgisayar mimari tasarımında yeni
gelişmeler beklenmektedir. Söz konusu elemanların üretimi henüz birbirleriyle uyumlu
çalışacak bir şekilde birleştirme işlemleri tam olarak bilinmemektedir.
66
Nanoölçekte bilgi depolama elemanları ayrı bir önem kazanmaktadır. Nanoölçekte elektronik
devre elemanları daha az enerji ile işlevlerini yerine getirebildiğinden nanoteknoloji ürünü
bilgisayarların günümüz teknolojisiyle üretilen bilgisayarlara kıyasla ebat olarak daha küçük
hız ve kapasite olak çok daha büyük kullandığı enerji bakımından çok daha ekonomik olacağı
aşikardır. Bu alandaki gelişmeler bilişim teknolojilerinin gelişmesini de sağlamış olacaktır.
Nanoteller kullanılarak nanoölçekte
‘‘ve’’ ‘‘veya’’ gibi mantık devreleri için tasarım
örnekleri yapılmıştır.[5]
7.3 Havacılık ve Uzay Çalışmaları
Uzay yolculuklarında gerekli olan yakıt hem ağırlık bakımından hem de hacim bakımından
günümüz teknolojileri ile sınırlı miktarda alınabilmektedir. Nano teknoloji ürünü malzemeler
ve aygıtların kullanılması bu sahadaki zorluklara da çözüm getirecektir. Nanoyapılı
malzemeler daha hafif daha sağlam sıcaklığa karşı daha dayanıklı olmaları sebebiyle roket ve
uzay istasyonlarının yapımında önemli olmaktadır. Muhtemel uygulamalar: az enerji
gerektiren,
radyasyona
karşı
dayanıklı,
yüksek
verimli
bilgisayarların
yapımında;
makroölçekteki uzay araçlarında kullanılabilecek nanoölçekte aletler: nanoyapılı algılayıcılar
ve nano elektronik ile desteklenen uçuş sistemleri yapımı ısıya dayanıklı nanoyapılı kaplama
malzemeleri olabilir.[5]
7.4 Tıp ve Sağlık
Canlıların yapıtaşı hücreler nanometre ölçekteki moleküllerden oluşur. Nanoteknolojinin
doğadaki işlevsel karşılığı olarak hücreyi göstermek mümkün, dolayısı ile bu konudaki
anlayışımızı ilerlemek için canlıları ayrıntılı incelememiz kaçınılmazdır. Bu yapılara
nanoölçekte bakıldığında fizik, kimya, biyoloji ile beraber (bilgisayar benzetişimlerinin)
‘‘simülasyon, modelleme’’ de uygulandığı disiplinler arası bir araştırma sahası ile karşılaşılır.
Böylece disiplinler arası iş birliği nanobiyoteknoloji gibi sahalarda önemli gelişmeler
yapılmasını
sağlayacaktır.
Hayatın
yapıtaşları
proteinler,
nükleik
asitler,
lipitler,
karbonhidratlar, ebatları ile kıvrımları ile dizilişleri ile belirli özellikleri olan nanoölçekteki
malzemelere örnek sayılabilir. Günümüzde gen çalışmalarının zorluğunun nanoölçekteki
aygıtlarla giderilebileceği görüşü yaygındır.Bu sahadaki gelişmelerin hem teşhiste hem de
tedavide yeni yöntemlerin geliştirilmesini sağlayacağı düşünülmektedir.[4]
67
Ayrıca yeni biyolojik malzeme üretiminin gerçekleştirilmesiyle suni organ yedeklemenin
mümkün olacağı inancı kuvvetlenmektedir. Bu alanda bilgisayar modelleme çalışmaları ile
gerçek ortamlardaymış gibi makro moleküllerin davranışları hakkında bilgi edinmek mümkün
olacaktır. Böylece modellemelerin yapılması biyolojik malzeme geliştirilmesinde ve yeni ilaç
tasarımlarında zorunlu hale gelmiştir.muhtemel uygulamalar: gen alışmalarının daha hızlı bir
şekilde yapılması ile teşhis ve tedavide yeni gelişmeler olabilir, vücut içerisine yerleştirebilen
farklı ölçüm cihazları hem daha hassas sonuç verebilir hem de daha ekonomik
olabilir.ilaçların vücutta sadece gerekli olduğu bölgede kullanımını sağlayarak olası yan
etkiler yok edilebilir,vücut tarafından reddedilmeye dayanıklı suni doku organ malzemesi
üretilebilir.görme ve duyma işlevlerinde yeni gelişmeler sağlanabilir, tehlikeli hastalıkları
haber veren algılayıcı sistemler vücuda yerleştirilebilir.yakın vadede beklenen en önemli
katkı. Nanoölçekte malzemelerin nasıl kendi kendini ürettiğinin anlaşılmasıyla ‘‘selfassemble’’ proteinlerin ve çeşitli organik maddelerin üretim şekli kopyalanabilir,
nanoteknoloji çok daha iyi uygulanabilir ve kontrol edilebilir.[4]
7.5 Çevre ve Enerji
Nanoteknolojinin enerjinin verimli kullanılmasında, depolanmasında ve üretilmesinde önemli
etkileri vardır. Çevre sorunlarının gözlenmesinde ve giderilmesinde kullanılabilir, çeşitli
kaynaklardan gelen atıklar önlenebilir,daha az atık yapan üretim sistemleri geliştirilebilir.
Gelecekte yaşamsal bir ihtiyaç haline gelecek olan temiz<su elde edilmesinde nanofiltreler
kullanılabilir. Kataliz işlemlerinde katalizör malzemelerin nanoölçekte olmasından dolayı
nanoteknolojinin kimya endüstrisinde önemli bir yeri vardır. Petrol endüstrisisnde kullanılan
gözenekli yapıdaki malzemeler ‘‘porus malzemeler’’ nanoteknoloji ürünü olarak karşımıza
çıkmaktadır. Otomobil endüstrisinde kullanılan nanoteknoloji ürünü malzemelerden yapılmış
daha hafif otomobiller daha az yakıt harcayacağı için çevreyi daha az kirletecek, ayrıca daha
da ekonomik olacaktır. Otomobil tekerleklerindeki lastiklerde siyah karbon yerine
nanoteknoloji ürünü inorganik kil ve polimer kullanılması çevre dostu lastiklerin yapımında
nanorobotların ve akıllı sistemlerin nükleer atıkların kontrolünde e filtrelenmesinde
kullanılma olasılığı vardır.[5]
Nanoteknolojinin uygulama alanlarından önemli sayılabilecek başka bir konu da temiz enerji
kaynağı olarak kabul edilen hidrojen enerjisi ile ilgilidir. Bu konu başlı başına incelemeye
değer ve önemli olmasına rağmen nanoteknoloji ile ilişkisinden kısaca bahsedelim.
68
Hidrojen enerjisi konusunda üç önemli husus vardır: hidrojen gazının üretilmesi, hidrojen
gazının depolanması ve gazın depoya doldurulması ve depodan geri çekilmesidir.
Bu üç husus birbirinden bağımsız olarak araştırma yapılabilecek önemdedir. Henüz
araştırmalar devam etmekte olduğundan özellikle hidrojen gazını depolama işi şimdilik
tamamen nanobilim ve nanoteknoloji konusu görülmekte, hidrojen gazını depolama işine
nanoölçekte çözüm aramak gerekmektedir.[20]
7.6 Biyoteknoloji ve Tarım
Biyosentezleme ve biyoişleme yeni kimyasal ve ecza malzemesi sağlayabilir. Biyolojik
yapıtaşlarının suni malzemelerin ve aygıtların içine yerleştirilmesi ile biyolojik işlev ve
istenen başka özelliklere sahip malzemeler üretilebilir. Tarımda da nanoteknolojinin kullanım
alanları vardır. Örneğin bitkileri böceklere karşı korumak için moleküler seviyede
kimyasalların geliştirilmesi hayvanlar ve bitkilerin genlerinin hayvanlar için ilaçların, DNA
testleri için nanoölçekte kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi sağlanabilir.[23]
7.7 Savunma
Savunma sanayinde nanoteknolojinin önemli bir yeri vardır. Bazı uygulama alanları:
Nanoelektronik yardımı ile haberleşme askeri açıdan çok önemlidir. Yine nanoelektronik
yardımı ile çok karmaşık eğitim sistemleri yapılabilir. Robot sistemlerinin etkin kullanılması
ile daha az insan gücü kullanımı sağlanabilir. Böylece insan vücudunun tahammül sınırları
dışında da etkin kullanımı gerçekleştirilebilir. Nano malzemelerden yapılmış bazı aygıtlar
daha hafif ve daha sağlam daha uzun ömürlü olabilir,nano algılayıcılar ile zararlı gazlar ve
radyoaktif serpintiler tespit edilebilir.nano ve mikro mekanik aygıtların birleştirilmesi ile
nükleer savunma sistemleri kontrol edilebilir. Nanoteknoloji ürünü tekstil malzemeleri ile
akıllı giyecekler yapılabilir.[5]
69
7.8 Bilim ve Eğitim
Nanobilim ve nanoteknoloji fizik kimya biyoloji gibi temel bilimler ile malzeme, elektronik,
kimya makine
bilgisayar mühendisliği gibi uygulamalı bilimlerin ortak ilgi alanına
girdiğinden dolayı nanoteknoloji disiplinler arası işbirliği yapılarak sonuç alınabilinecek bir
sahadır. Eğitim programlarında da bu gelişmeye uygun olarak yeni düzenlemeler yapılması
gerekir. Birçok gelişmiş ülkede bu alandaki gelişmeler dikkate alınarak yeni programlar
açılmaktadır. Türkiye de bu yönde gelişmelerin başarmış olması sevindiricidir.[22]
7.9 Başka Muhtemel Uygulamalar
Nanobilim ve nanoteknoloji yukarıda belirtilen uygulama alanları ile sınırlı değildir. Bunların
yanında daha hafif ve daha emniyetli taşıma sistemleri geliştirilebilir, kirlilik ölçümleri,
kontrolü, azaltıcı yöntemleri geliştirilebilir. Güvenilir adli araştırmalar yapılabilir. Kaliteli
baskı işlemleri yapılabilir. Kuantum özellikleri çeşitli işlerde özellikle yeni ve devrimsel
bilgisayar uygulamalarında kullanılabilir. Örneğin elektronların spinleri bilgi iletimi için
kullanılabilir. ‘‘spintronik’’ çeşitli maksatlar için kullanılabilecek nanometre boyutlarında
mıknatıs yapılabilir.[5]
Nanoboyutta makine veya robot yapmak ileri için düşünülen en önemli ve heyecan verici
konulardan birisidir. Yapılabilecek nanomakinelerin elemanlarını birçok araştırmacı şimdiden
tasarlamaya başlamıştır. Böyle makine elemanlarına birçok örnek gösterilmiştir.
8
UYGULAMA HALİNDE OLAN NANOTEKNOLOJİK ÜRÜNLER
Sileceksiz Cam
Leonardo Fioravanti tarafından tasarlanan bu ürün dört katmandan oluşmakta. Birinci katman
(havayla temas halindeki), güneş ışınlarını filtreliyor ve suyu uzaklaştırıyor. İkinci katman,
cam üzerindeki tozların kenarlara doğru itilmesini sağlıyor. Üçüncü katman, cam üzerindeki
tozu algılayıp ikinci katmanın harekete geçmesini sağlıyor. Ve son olarak dördüncü katman
ise tüm bu mekanizmanın elektrik enerjisini sağlıyor. Nanoteknoloji ürünü olan bu yeni
tasarım seri üretimi 5 yıl içerisinde başlayacak gibi gözüküyor, ancak çalışan bir örneği Hidra
adlı bu prototip de kullanılmış.[24]
70
Şekil 8.1 sileceksiz cam[24]
Kendiliğinden Şarj Olan Nanoaletlere Doğru
Texas A&M Üniversitesi'nde yapılan nanoteknolojik araştırmada, ses dalgalarını %100
elektriğe çeviren piezoelektronik bir malzeme geliştirdi. Malzemedeki kristallerin boyutu 21
nm.
Buluşla ile ilgili makale Ekim ayında Physical Review B dergisinde yayınlandı.
Buluş küçük olsa da, etkisinin yüksek olması bekleniyor. Kullandığımız birçok elektronik
eşyaların, dizüstü, fotoğraf makinesi, cep telefonu, en büyük sorunlarından biri, şarj süresi,
eğer bu ürün hayatımıza girerse günlük kullanım cihazlarımızda büyük sorunları giderecek.
Kullanıcının hiçbir müdahalesi olmadan, kendiliğinden şarj olan aletler yeni bir nesli
başlatacak.[20]
Piezoelektrik yeni bir olgu değil, araçlardaki çakmaklarda da piezelektronik kristaller var. Bu
malzemeler mekanik bir kuvveti elektrik enerjisine çeviriyor."Ses dalgaları bile nano ve
mikro aletleri çalıştırmaya yetebilir, yeter ki bu malzemeler bu amaç için üretilsin ve işlensin.(
Tahir Çağın (1999 Feynman ödülü sahibi))[20]
71
Olimpiyat Logosunun Küçük Hali
Nortwestern Üniversitesi nanobilimcisi Chad A. Mirkin, 2008 Yaz Olimpiyatları logosunu
nanoboyutlarda tasarladı. "Beijing 2008,” ibaresi 90 nm çapa sahip 20.000 nokta ile
oluşturulmuş ve Mirkin'in oluşturduğu 15.000 logo sadece 1 cm2 yer kaplıyor. Logoda, insan
figürü ve Olimpiyat halkaları 600 nm çapa sahip 4.000 nokta ile oluşturulmuş.[24]
Şekil 8.2 Olimpiyatlar pekin logosu[24]
Hidrojen Yakıt Pili Kullanan İlk Uçak
Boeing şirketi hidrojen yakıt pilleri ile çalışan insanlı uçağın testlerini başarı ile bitirdiklerini
açıkladı. İki kişilik Dimona, 16.3 meterlik kanat genişliğine sahip pervaneli bir uçak.
Diamond Aircraft Industries of Austria tarafından üretildi, BR&TE tarafından yakıt pili ve
lityum pilinden oluşan hibrit sistemi yerleştirildi.[23]
Şubat ve Mart 2008'de Ocaña (İspanya) semalarında 3 tane test uçuşu yapıldı. Testler
sırasında uçak deniz seviyesinden 1000 metre yükseğe çıktı. Uçuş sırasında, pil gücü ve
hidrojen yakıt pilinden üretilen elektrik kullanıldı.[23]
72
Şekil 8.3 Hidrojen yakıt pili kullanan uçak[20]
Yeterli yüksekliğe ulaşılınca pillerle bağlantı kesildi, pilot saatte 100 km hızla 20 dakika
boyunca sırf yakıt pilinden gelen elektrikle çalıştı.
Intel'den Yeni İşlemci: Atom
Intel® Atom™ işlemcisi, yeni düşük enerjili ve mobil İnternet araçları için tasarlanmış çip
ailesinin ilk ferdi olacak. İşlemcinin yakın zamanda çıkacağı duyruldu. Şirket ayrıca, birden
fazla çip içeren ve taşınabilir aletler için en iyi İnternet keyfini yaşatan MID platformları için
de yeni bir işlemci teknolojisi olan Intel® Centrino® Atom™ 'u duyurdu.[24]
Şekil 8.4 işlemci (Kaynakta 11 tanesi 1 Amerikan Pennysine sığar diyor, 1 Amerikan
Pennysinin çapı 19 mm, 1 Yeni Kuruşun çapı 17 mm, hesap yapınca yaklaşık 10 çıkıyor)[22]
73
İşlemci (Atom), küçük ama güçlü aygıtlar için tasarlanmış yepyeni bir mikromimariye sahip.
Çipin boyutu 25 mm2, bu da Intel'in şu ana kadar yaptığı en küçük ve en güçlü işlemcisi
demek. 10 tane çip 1 yeni kuruşun üzerine sığabilir.
İstikbal'den Nanoteknolojik Kumaş
İstikbal, elektromanyetik dalgalarını %98.5 oranında engelleyen nanoteknolojik kumaş
geliştirdiğini duyurdu. Kumaşın hem ev ürünlerinde hem de endüstride kullanılması
düşünülüyor. Ürünün inşaatta, askeriyede de kullanılması düşünülüyor.
"Biocare" adlı verilen kumaş, cep telefonu, mikrodalga fırın, mikrofon, kablosuz iletişim
araçlarından gelen elektromanyetik dalgaları engelliyor. TÜBİTAK kumaşın 500 kHz ile 6
gHz arası dalgalarını %98.5 oranında engellediğini tescilledi. Geliştirilen kumaşın, yakın
zamanda aktif olarak kullanılacağı bildirildi.[24]
En Hızlı Grafen Tranzistörü
IBM silikon en yüksek frekansta (26 GHz) çalışan grafen tranzistörünü yaptığını açıkladı.
Grafen
üzerinde
son
yıllarda
birçok
araştırma
yapılmakta.
Malzeme,
elektronik
uygulamalarda kullanacaklar.
Şekil 8.5 Grafen transistorü[24]
Şimdilik geçit uzunluğu 150 nm'lik tranzistör için bir sonraki hedef geçit uzunluğunu 50
nm'ye düşürmek.
74
Karbon Nanotüpler Bu Sefer Ayakkabı Altlığında
Adidas, Lone Star adını verdiği, dünyanın ilk karbon nanotüple kuvvetlendilmiş tabana sahip
ayakkabısını geliştirdiklerini duyurdu. Daha önce tenis raketi, beyzbol sopası gibi ürünlerde
kullanılan karbon nanotüpler, bu sefer ayakkabı altlığında kullanılmış oldu.
Şekil 8.6 Adidas Lone Star [24]
Karbon nanotüplerin mekanik ve kimyasal bağları altlığın ömrünü ve bütünlüğünü artırıyor.
Yeni altlık Adidas'ın daha önce tasarladığı 3 parçalık tasarımdan daha esnek. Eskisinin üçte
biri kalınlığa ve yarısı kadar ağırlığa sahip yeni altlık Adidas'ın ürettiği en hafif altlık.
Nano Teknoloji İle Kanser Tedavisi
Amerikalı bilimadamları, nanoteknolojiyle, kansere yol açan toksinleri tespit edebilen çok
küçük bir algılayıcı geliştirdi. Vücuttaki belirli kimyasal maddelerin izlenebilmesi imkânı
sağlayan algılayıcı, kanser ilaçlarının canlı hücreler üzerindeki etkisini de takip edebiliyor.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Michael Strano, "karbon nanotüpleri" olarak
adlandırılan karbon moleküllerinin ince iplikçiklerinden yapılan ve DNA ile kaplanan
algılayıcının insan vücudundaki canlı hücrelerden çok daha küçük olduğunu söyledi.
Algılayıcı, yakın-kızılötesi ışık tayfında saptanabilen floresan ışığı yayıyor. İnsan dokularının
aynı tayfta ışık yaymaması sayesinde algılayıcı göze çarpıyor. Işığın sinyali, algılayıcı hücre
içinde DNA ile etkileşime girdiğinde değişiyor. Bu değişimler, bilim adamlarının belirli
molekülleri tanımlamasına yardımcı oluyor. Algılayıcının DNA ile kaplanmış olması canlı
hücrelerin içine güvenle enjekte edilmesine imkan sağlıyor.[20]
75
Şekil 8.7 Algılayıcı protatipi[20]
Çok düşük miktardaki kimyasalların vücuda etkilerini saptamak için etkili bir araç olarak
hemen kullanılmaya başlanabileceği belirtilen algılayıcının zamanla, insan vücudunun
görüntülenmesinde alternatif bir yöntem olarak da kullanılabileceği kaydediliyor.
Hisseden Teknoloji
Hisseden teknoloji, Karbon nanotüp ağı üzerine kurulmuş bir nanoelektronik tespit
platformudur. Birbirinden ayrı bir veya iki tespit elemanına sahip ince bir tespit çipi içerir.
Tespit elemanlarının her biri, özel hedefi (analizi yapılacak madde) çözümlemek için
bağımsız olarak fonksiyonel haldedir. Karbon nanotüplerin kendine has özellikleri ve nanoyapı tescilli üretim tekniklerinin geliştirdiği bu cihaz, az enerji tüketimine sahip, boyutu
küçük ve yüksek hassasiyete sahip bir cihazdır.
Şekil 8.8 Nanotüp ağlardan oluşmuş nanoelektronik tespit aleti[24]
76
Bu teknoloji, nano yapıların ayrı ayrı yönlendirilmesi yerine, Karbon nanotüplerin gelişi güzel
ağ kurmasından faydalanır. Aygıt, analizi yapılacak madde ile etkileşime girer ve gerçekleşen
değişimleri elektronik simgelerle izlenecek hale dönüştürür. Karbon nanotüpler, ' özgünlük,
hassasiyet, dinamikler ve sınıflandırma' gibi pek çok karakteristik özellikleri ortaya
çıkarabilmek için, çok değişik kimyasal tanıma yöntemleri kullanılarak fonksiyonel hale
getirilirler.[24
Nano Lehimleme
Gitgide daha küçük ölçekte elektronik devre üretimi, nanodevrelere olan ilgiyi artırdı. Japon
araştırmacılar nanoseviyede lehimleme olarak adlandırabilecek bir yöntem geliştirdiler.
Gümüş nanotelleri çapraz yerleştirmek, kararlı devre oluşturmaya yetmiyor. Nanotellerin
nanoseviyede birleştirme yöntemi, düzgün devre yapılması için çok önemli.
Şekil 8.9 Nanotellerin lehimlenmesi[20]
Gümüş nanotelleri birleştirmek için kullanılan yöntem şöyle işliyor: nanoteller kloroaurik asit
ile indirgenip, metalik altın nanotanecikler oluşturuluyor. Japon araştırmacılar, Toriyama ve
Ishiwatari bu yöntemi denedikleri zaman, tellerin aşındığını gözlemlemişler. Teller önce tiyol
tabakası ile kaplanıp, daha sonra kloroaurik aside maruz bırakılırsa, nanotellerde aşınma
olmuyor ve aralarında kalıcı bir bağ oluşuyor.
Yağ Lekeleri İçin Yeni Nanotel Kağıt
Nanotel kağıt, yağ ve diğer organik kirleri temizlemekte kullanılacak yeni bir malzeme
olabilir. Bilim adamlarının ürettiği bu kağıt, ağırlığının 20 katı kadar yağ emebiliyor ve tekrar
tekrar kullanılabiliyor.
77
Kağıt sıcaklığa dayanıklı olduğu için, emilen yağ tekrar kullanılabiliyor. Yağ emmiş kağıt
ısıtılıyor, yağ buharlaşıyor, buharlaşmış yağ başka bir kapta damıtılıyor Böylece yağ tekrar
kullanılabiliyor. Kağıt ayrıca suya da dayanıklı. Birkaç ay suda bekletilmiş kağıtlar
fonksiyonlarını kaybetmiyor.
“Bulduğumuz şey nanotellerden oluşmuş ve yağ gibi hidrofobik sıvıları sudan emebilen bir
kağıt." diyor Francesco Stellacci, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği doçenti, çalışmayı yürüten
bilim adamı. Yağı emebilen ilk malzeme bu değil ama bu kağıdın verimliliği diğerlerine göre
yüksek. Kullanılan nanoteller potasyum magnezyum oksitten yapılmış. Nanotel kağıtlar su
temizlenmesinde de kullanılabilir.[24]
Şekil 8.10 Kağıdın yağı nasıl emmesi[24
Fiberlerden Elektrik Üretimi
14 Şubat 2008 tarihli Nature dergisinde çıkan bir habere göre bilim adamları tekstil
fiberlerinden elektrik enerjisi üretmeyi başardılar.
Yöntem şöyle işliyor: yukarıda altınla kaplı ZnO nanoteller, altlarında bulunan normal ZnO
nanoteller var. Bu nanoteller fiber üzerine sarılmış durumda.
78
Şimdi altınla kaplı nanoteller çekilince bunlar altlarındaki normal nanotelleri eğiyorlar.
Nanotellerin piezoelektronik özelliğinden dolayı yamulan kısımlar, (yani normal nanotellerin
üstü) artı, diğer kısımlar (alt taraf) eksi özellikte oluyor ve böylece akım üretilmiş oluyor.[23
Şekil 8.11 Fiberler[23]
Yani üzerimizdeki giysilerin fiberleri biz hareket ederken birbirine sürtünecek ve elektrik
üretip elektrikli aletleri şarj edebilecek. Tabi ki bu yöntemle biraz zor, çünkü ZnO yıkanmaya
dayanıklı değil, böyle bir T-shirt'ün hiç yıkanmaması lazım!
Şekil 8.12 Pembe tellerden biri normal ZnO nanotel, diğeri ise altınla kaplı.[23]
Şekilde açık bir şekilde sistemi görebiliriz. Fırça şeklindeki çubuklar biribirine sürtüyor ve
elektrik üretiliyor. (yeşil altın kaplı, diğerini kaplanmamış farz edin)Grubun bir sonraki amacı
üretilen voltaj seviyesini (800 nanovolt - 20 milivolt) yükseltmek.[23]
79
Karbon Nanotüpleri Ayırma Yöntemi
Blogda 2 çeşit karbon nanotüpten bahsetmiştik zamanında: tek katmanlı ve çok katmanlı.
Güneş pillerinin önemli bir bileşeni olan saydam iletkenlerde kullanıldığı zaman avantaj
sağlayan çift katmanlı karbon nanotüplerin de önemi artıyor. Çift katmanlı nanotüpler,
adından da anlaşıldığı gibi, iki atom kalınlığındaki karbon nanotüpler.
Karbon nanotüp üretim yöntemlerindeki en önemli eksik, reaksiyon sonucu oluşan farklı tip
nanotüpleri birbirinden ayıracak bir sistemin olmaması. Nanotüp üretiliyor ama hepsi
istediğimiz tipten olmuyor.[23]
Northwestern Üniversitesi'nden iki araştırmacı, çift katmanlı karbon nanotüp üretimi için bir
çözüm bulmuşlar. Yöntemin ismi ise yoğunluk gradient ultrasantrifigasyonu! Yöntem tek
katmanlı ve çok katmanlı nanotüplerden, çift katmanlıları yoğunluk farkını kullanarak
ayırıyor.
Şekil 8.13 Çift katmanlı nanotülerin çeşitli mikroskoplarda görüntüleri[23]
Makale Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı. Nanomalzemelerin özellikleri
boyutlarına aşırı derecede bağlıdır. Bu malzemeleri bir uygulamada kullanıp, güzel
performans sağlayabilmek için; kullandığınız malzemelerin boyutları benzer olmalı. Bizim
buluşumuz da tam bu sorunu çözüyor.
80
DÜNYADA NANOTEKNOLOJİ
Nanoteknoloji alanında filizlenen dünya çapındaki faaliyet sadece ‘‘aşağıdaki yer’’ den
faydalanmak için mantıksal bir girişim olarak açıklanamaz. Diğer iki önemli insan
motivasyonu ise şüphesiz ki bir rol edinmektir. Biri öncesinde hiç ayak basılmamış bir
zirveye çıkmak isteyen bir dağcınınki gibi sadece ‘‘bu daha önce yapılmamıştı’’ tarzı bir
motivasyondur. Diğeri ise ‘‘doğayı ele geçirmek’’ için olan sürekli arzudur. Bunu aşina
olunan makroskopik ölçekte bu şekilde yapmaya yönelik fırsatlar çok sınırlıdır, çünkü çok
fazlası zaten yapılmıştır. Diğer yandan, uzay endüstrisinin roketin taşıdığı yükleri
olabildiğince küçük boyutlarda ve hafif yapmak için sürekli bir talebi vardır. Nanoteknolojik
malzemeler, cihazlar ve sistemlerin yeterince eminyetli hale geldikten sonra uzay sanayine
oldukça uymaktadır.[15]
ABD’de mevcut teknolojiler doyum noktasına yaklaşırken ve uluslararası rekabet karşısında
kâr marjları düşerken, nanoteknolojide oluşabilecek pazar ve elde edilecek kârı çok iyi
değerlendirebilen ekonomistler, Başkan Clinton’a baskı yapıp nanoteknolojiyi öncelikli alan
olarak ilan ettirdiler. O günden bu günlere gelirken ABD’de kurumlar yeniden yapılanmaya
giderek yeni yatırımlar yapıldı, çok sayıda laboratuvar kuruldu. 2015 yılında ABD’de
nanoteknoloji ürünlerinin satışlarının 1-3 trilyon dolar dolaylarında gerçekleşeceği tahmin
edilmekte. ABD’de üniversite ve araştırma merkezleri kendi aralarında örgütlenerek
kaynakları daha etkin kullanmak üzere “araştırma üçgenleri” oluşturmuş bulunuyorlar. [16]
Günümüzde ABD dışında Japonya, Avrupa Birliği ülkeleri, israil, Çin ve Kore’de de
nanoteknolojiye önem verilmekte. Çin’de nanoteknoloji konusunda bir milyon uzman ve
araştırmacı yetiştirmek üzere yeni bir program başlatılmış durumda. Avrupa Birliği 2010
yılında ABD ve Japonya’yı yakalamak için 6. Çerçeve Programında nanoteknolojiyi öncelikli
alan ilan etti. Son zamanlarda ABD ve Avrupa’da çok sayıda nanoteknoloji araştırma
merkezi, ayrıca üniversitelerde bu alanda yüksek lisans programları açıldı. Nanoteknolojide
Son Gelişmeler Nanoteknolojinin önümüzdeki 10- 15 yıl içinde yeni bir teknoloji devrimi
olarak ortaya çıkacağına inanılıyor. [4]
Teknolojide ilerlemiş ülkeler nanoteknolojiye odaklanarak, bu devrimin içinde yer almalarını
sağlayacak programlar üzerinde ciddi çalışmalar yapmaktalar. Bütün bu çabaların altında
teknoloji yarışında geri kalma endişesi yatıyor.
81
20. yüzyılın başından beri gelişmekte olan ve her alanda, bilgi işllemden işlemden akıllı
malzemelere ve mikroelektroniğe kadar çok gelişmiş teknolojileri kullanan otomotiv
endüstrisinde rekabet nedeniyle son yıllarda kâr marjları çok düşmüş durumda. Gelişmiş
ülkeler otomotiv sanayi ve benzer sanayileri daha az gelişmiş ülkelere bırakıp rekabetsiz bir
ortamda yüksek kârlı teknolojilere yönelmekteler. Nanoteknoloji bu bağlamda (kozmetikte
reflektan boyalardan tıp dalında kanser tedavisine kadar) geniş bir alanı kapsayan uygun bir
konu olarak ortaya çıktı ve bu nedenle de bütün önceliklere sahip oluverdi. [4]
Günümüzde tekstil sanayi de benzer sıkıntıları yaşamakta. işçiliklerin çok yüksek olduğu
gelişmiş ülkelerin tekstil sanayi, gelişmekte olan ülkelerin, özellikle Çin’in ucuz iş gücüne
dayalı rekabeti karşısında yok olmaya yüz tutmakta. şimdi ingiltere ve ABD’de yüksek
teknoloji kullanılarak tekstil sanayilerinin yeniden canlandırılması için ciddi adımlar atılıyor.
Ancak, Çin’de de tekstil sanayinde uygulanacak nanoteknoloji ürünleri hızla geliştiriliyor.
Çin’de geliştirilen kirlenmeyen kumaşlar ve dokuma ürünleri nedeniyle, çamaşır makinesi
üreten kuruluşların stoklarını eritip kapasite indirimine gideceklerinden bahsediliyor. Aslında
nanoteknolojinin tekstil sanayinde çok önemli işlevinin olacağı biliniyor.[4]
Dokumada kullanılacak elektronik fiberler sayesinde, istenildi¤inde renk değiştirebilen,
vücudumuzu zararlı ışınlardan koruyan, güneş enerjisinden elektrik üreterek yazın soğutan,
kışın ısıtabilen giysilerin yakın bir zamanda vitrinlere çıkması beklenmekte. Özel polimerler
sayesinde terin emilip vücudumuzun kuru kalmasını sağlayan, su tutmayan giysiler şimdiden
geliştirildi. Nanobilim ve nanoteknolojide araştırma çalışmaları çok çeşitli alanlarda
sürdürülüyor. Son zamanlarda nanometre boyutlarında ortaya çıkan çeşitli kuantum olaylar,
ısı ve elektrik iletkenliğinin kuantumlaşması, spine bağlı elektron taşınması, faz tutarlılığı,
kararlılık ve denge dışı fiziksel olaylar çok sayıda kuramsal ve deneysel çalışmalara konu
oldu. Nanotellerde kuantum iletkenlikle tel kesiti arasında gözlemlenen ilginç ilişkiler,
nanoölçeklerde tel çapının ve bir bakıma kesitte bulunan atom sayısının bile kesikli olarak
değişeceğini gösteriyor. Böylece nesne büyüklüklerinin de kuantumlaşabileceği sorusu
gündeme geliyor.[15]
82
SONUÇLAR
Geçmişten günümüze insanlık, ihtiyaçları doğrultusunda yenilikler yapmış, araç gereçler
tasarlamış, çeşitli yöntemler geliştirmiştir. Ancak ilerleyen zamanla beraber, yaşanan
teknolojik ilerlemeler; gelişme ve yenilikleri ihtiyaçların önüne geçirmiştir. Yani günlük
hayatı kolaylaştırıcı dizaynların sayısı hayatımızı apayrı bir yere taşımış, yeni nesillere kısa
sürede çok daha farklı bir dünya sunmuştur. Özellikle bilgi paylaşımının bilgisayar ve bilişim
teknolojileri sayesinde inanılmaz bir hıza ulaşılması buna büyük katkı sağlamıştır.
Son dönemde kuantum teorilerinin gerçekçiliği ve daha aşağılarda apayrı bir dünyanın bizi
bekliyor olduğu söylenmekteyken, günümüzde canlı örnekleriyle hayatımızdaki yerini almaya
başlamış durumdadır. Nanobilim ve nanoteknoloji devrimi denilen devrim niteliğindeki bu
gelişmeler, bütün hızıyla birincil oyuncu olmaya başladı. Nanoteknolojinin henüz başlarında
olsak ta birçok yenilik ve gelişme yaşanmış durumda ve eskiye nazaran gelişme hızları
inanılmaz seviyelere ulaştı. Yani başındayken bir anda sonunu görebileceğimiz bir teknolojik
serüvenin içerisindeyiz.
Bu gelişmeler doğrultusunda, dünyanın birçok yerinde nanobilim ve nanoteknolojiye büyük
yatırımlar yapılmakta, enstitüler açılmakta ve araştırma merkezleri kurulmaktadır. Bilginin
hızlı paylaşımı ülkemizi de çok ileride olmasa bile bu yarışın içerisinde tutmaktadır. Yapılan
yatırımlar, araştırmalar göz ardı edilemeyecek seviyelerde iyidir. Birçok lisans, yüksek lisans
ve doktora seviyelerinde araştırma, hız kesmeden yapılmakta olup kurumsal ve bireysel
çabalar ileri seviyelerdedir.
Temennim, ülke olarak bu büyük yarışta en ileri seviyelerde olarak, dünya teknoloji
gelişimine katkı sağlamak, en başta insana; sağlık konusunda, günlük ihtiyaçlar tasarlamakta,
rahat ve ferah bir yaşam geçirmekte yardımcı olacak olan bu teknoloji ile sonuna kadar içli
dışlı olmaktır.
83