(Kimya Teknolojileri Dergisi Eylül 2005 sayfa 20-24 de yayınlandı)

KİMYADA NANOTEKNOLOJİ  DEVRİ

 Mehmet Dogan

Hacettepe Üniverstesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü

İnsanlık tarihinin evrelerini her devirdeki toplumları yönlendiren gelişmelere göre  “çağ” adı verilen dilimler halinde gruplandırarak isimlendirmek daha bilimsel kabul görmüştür. Bir yandan tarihçilerin tercih ettiği eskiçağ, ortaçağ, yeni çağ ve yakın çağ gibi adlar altında zaman dilimleri, bir yandan da eski çağı yontma taş devri, cılalı taş devri, bronz çağı, maden çağı, tarım çağı, sanayileşme çağı, petrol çağı, uzay çağı, ileri teknoloji çağı, iletişim ve bilgi çağı gibi belirli zaman dilimlerini ve yaşam şeklini simgeleyen terimlerin de kullanılması tercih edilmiştir. İçinde yaşadığımız zaman dilimlerine geldikçe çağların süresi de kısalmış, özellikle son 50 yıl içerisinde çağa yön veren gelişmeleri izlemek kadar isimlendirmek de zorlaşmıştır. Her çağda toplumları sürükleyen yeni teknolojilerin o çağları şekillendirdiği  açıktır. Halen yaşadığımız çağa değişik adlar verilebilir. En çok sevilen ve tutunan adlandırmanın “bilgi çağı” olduğu söylenebilir.

Çağımıza yön veren teknolojiler: Uzay teknolojisi, gen teknolojisi, iletişim- teknolojisi, nano-teknoloji olarak dört ana grup altında toplayabiliriz.

                        Bilgi çağının teknolojisi iletim teknolojisi, ama aynı zamanda nanoteknolojidir. Bir yerde nanoteknoloji aynı zamanda gen ve uzay teknolojilerinin de temelidir. Diğer daha toplu ifade ile çağımızın ve geleceğin teknolojisi nanoteknolojidir.

Nanoteknoloji Nedir?

Nanometre ölçeğinde fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması, kontrolü ile bu boyutlarda fonksiyonel malzemelerin, araçların,ve sistemlerin geliştirilmesi ve üretimidir. Nanoteknoloji ile nano ölçekteki olayların değerlendirilip, benzerlerinin geliştirilerek uygulanmasıyla  bilimde yeni ufuklar açılmaktadır.

Nanoteknoloji en az bir boyutu 1-100 nm olan materyaller, cihazlar ve sistemler ile ilgilenir. Daha farklı ve üstün nitelikli mekanik, elektrik, ısıl, optik ve kimyasal özelliklere sahip materyal ve sistemler geliştirmeyi amaçlar. Başlıca:

-Nano ölçekteki yapıların analizi,

-Nano boyuttaki yapıların fiziksel özelliklerinin araştırılması ve anlaşılması,

-Nano ölçekli malzemenin üretimi,

-Nano duyarlıkta aletlerin geliştirilmesi ve üretilmesi,

-Nanoskopik ve makroskopik dünya arasında bağ kurulmasına yardımcı olacak yöntemlerin bulunup geliştirilmesi,

Tüm Dünya Ülkeleri bir nanoteknoloji araştırma ve uygulama planlamalarını yapmışlar ve çalışmalara başlamışlardır. Her ülke ve özel sektörü kendisi için en uygun öncelikli nanoteknoloji alanlarını saptamıştır. 

 Nanoteknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları

1-Endüstriyel Alan:

   Mikro makineler, mikro pompalar, mikro sensörler geliştirme, optoelektronik elemanların imali,bir araya getirilmesi, nano boyutlu kaplamalar,monolayer katalizörlerle tepkimelerin kontrolü, nano boyutlu elemanlar arası bağlantılar, chip ve CD üretmi.

2-Tıp ve Sağlık Alanı:

    Mikro-nano cerrahi( özellikle göz ve beyin cerr.), Diyagnostik kitler, Hücre, doku ve moleküler (DNA gibi) hasar belirlenmesi ve onarımı.

3- Bilimsel Araştırmalar:

    Yüzey karekterizasyonu ve modifikasyonu, Mikroorganizmaların taşınması, DNA-Modifikasyonu.

Nanoteknolojinin Günümüzde Tipik Uygulama Örnekleri

1-Karbon nanotüp ve nano litografi,

2-Karbon lifler üreterek hidrojen bataryası olarak kullanma,

3-Nano kütüphaneler,

4-Veri bilgi depolama (Noval data storage system),

5- Hücre onarım robotları (Cell repair units),

6- Plastik şişelerin monolayer silisyum dioksitle kaplayarak cam ve plastiğin üstün özelliklerinin birleştirilmesi,

7-Polietilen üretiminde zincir yapısı değişimi ile çelikten sağlam taşıyıcı halat üretimi (Kevlar ),

8- n ve p tipi transistör ve elektonik devrelerin imali,

9-Femto saniye-nanoteknoloji ile moleküllerde birçok kimyasal ve fiziksel özelliğin ölçülmesi.

10- Nano robot ve nano ölçekli ilaç taşıyıcıların yapımı,

11- Nanocerrahi,

12- Tekstilde nanoteknoloji uygulaması ile nanomrtre kalınlıkta liflerden, özellikle karbon liflerden kumaş hazırlanması, kumaşların monolayer bir madde ile kaplanarak su tutmayan ve yanmayan kumaş üretimi.

Nanolitografi

-Nano aletler kullanarak molekül ve atom düzeyindeki malzemelerin bir yere biriktirilmesi veya oradan uzaklaştırılması yaklaşımına litografi denir.

-Makroskopik dünyadaki robotların mikroskopik benzerlerini yaparak bunlar aracılığı ile nano skalada üretim yapmak.

-Makroskopik cihazları kullanarak atom ve molekülleri amaca göre yönlendirmek ve yönetmek.

Kimler Nanoteknoloji yapabilir?

Madde ile uğraşan her araştırmacı nanoteknoloji kullanabilir ve bu alanda araştırma yapabilir. Araştırma sonuçlarını ise başta hekimler ve bilgisayar üreticileri olmak üzere tüm uygulamacı bilimciler kullanarak kendi mesleklerinin uygulamasını geliştirebilirler. Bu açıdan bakınca başta kimyacı ve fizikçiler olmak üzere tüm temel bilimciler ve uygulamalı bilimciler, yani mühendisler, hekimler, veterinerler, ziraatçılar nanateknolojinin geliştirilmesi ve uygulanmasında görev alabilir.

Katıhal fizikçileri, elektronikçiler, malzemeciler, makineciler, polimer kimyacıları başta olak üzere organik kimyacılar, elektrokimyacılar, biyokimyacılar, biyologlar potansiyel nanoteknoloji araştırıcılarıdır.

Çağımızda endüstrinin geldiği düzey, bir yandan toplumun gereksinimini karşılayacak çok büyük ölçekli üretim, öte yandan yüksek kaliteli, gittikçe küçülen, nano metrik boyutlarda ileri teknoloji ürünleri ile hücre altı moleküler düzeyde işlemleri yapma, bunları teknolojiye aktarma (gen teknolojisi) noktasına ulaşmıştır.

 Özellikle analitik kimyacılar bu yeni endüstrinin ürettiği maddelerin bileşimi ve yapısına yönelik sorularına cevap verebilmek için bir yandan eski analiz yöntemlerini değiştirirken, bir yandan da yeni teknolojiye uygun analiz yöntemlerini geliştirmek zorunda kalmıştır.

Nanoteknolojinin araçları, alet ve yardımcıları

 

Nano teknolojinin araştırılmasında, ürünlerin ve sistemlerin kontrolünde kullanılan en önemli araçları taramalı prob mikroskopları, özellikle atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobudur. Nano teknolojideki gelişim, prob mikroskoplarının gelişimini hızlandırdığı, kullanımını yaygınlaştırdığı gibi, bu cihazları nanomaniplatör olarak (mikrorobot) kullanarak nano teknolojinin uygulanmasını artırıcı etki yapmıştır. Bu yönde özellikle biyolojik ve bilimsel uygulamalar yaygınlaşmaktadır.

   Teknolojideki yeni gelişmeler sonucu  elektron- iyon spektroskopisi gibi yüzey analiz teknikleri, optik mikroskop yerine elektron mikroskopisi, tünel elektron mikroskopisi, atomik kuvvet ve iş fonksiyon spektroskopisi gibi moleküler büyüklüklerin görüntülenmesine imkan veren görüntüleme teknikleri, optik sensörler, laser ve fiber optik, nano ve hatta femto saniyede ölçüm yapan yarıiletken dedektörlü ölçü sistemleri  ileri teknoloji laboratuvarlarının vaz geçilmez araçları olmuştur.

Çok değişik tür ve sayıda analitik mikroskop ortaya çıkmıştır. Bunlar:

1- Geçirgen ve yansımalı optik mikroskop, faz kontras ve UV mikroskop,

2-Geçirgen, yansımalı, taramalı, elektron emisyon, alan elektron emisyon mikroskopları (TEM, REM, SEM, EEM, FEM);

3-İyon mikroskopları: geçirgen iyon, taramalı iyon, alan iyon mikroskopları (TIM, SIM,FIM) ;

4-Diğer mikroskoplar: Tünelleme, taramalı tünelleme, atomik kuvvet, iş fonksiyon, manyetik kuvvet, yakın alan optik taramalı, balistik elektron emisyon mikroskopları (TUEM-TM,STM, AFM, WFM, MFM, NSOM, BEEM) gibi onlarca mikroskobik teknik değişik amaçlarla nanoteknolojide kullanılmaktadır.

Bugün bu mikroskobik teknikler:

-Kaplama homojenliği ve etkinliğinin incelenmesi,

            -Katı faz katalizör yüzeyleri,

gibi yüzeyin morfolojik ve topografik yapısı ve yüzey bileşenlerinin belirlenmesinde,

         -Güneş enerjisinden yararlanmada kullanılan güneş pillerinin etkinliğinin artırılmasında kullanılmaktadır

              -Sağlık teknolojisinde,

 Elektronik ve Bilgisayar Endüstrisi: Bu Endüstri  kollarında özellikle ultra saf silisyum ve germanyum gibi yarı iletkenlerin saflık kontrolünde katı örneklerde safsızlıkların analizinde kullanılan kombine kütle spektroskopisi teknikleri (GF-ICP-MS, SS-MS, Laser-MS, ESCA-MS gibi) ile bu yarı iletkene dote edilen veya bunlar üzerine kaplanan diğer metallerin ( Li, As, Ga, Co, Au,Ag gibi) tayinlerinde ESCA, SİMS, NPMS, TXRF ve değişik elektron mikroskopisi  başta olmak başta olmak üzere yüzey analiz ve derinliğine profil analizi teknikleri nanoteknolojide de en çok kullanılan analiz teknikleridir.

Akıllı( intellegent) moleküller

Akıllı molekül olarak adlandırılan moleküller çevreye duyarlı olup, çevreden gelen herhangi bir uyarıya (elektrik, ısı, ışık) karşı tepki gösteren moleküllerdir. Özellikle polimerik yapıdaki doğal ve sentetik büyük moleküllerde bu duyarlık görülür. Örnek olarak sıcaklık duyarlı, yani termosensitif polimerler bu sınıfın en önemli örnekleridir.

NIPAA olarak kısaltılan n-izopropil akril amid sıcaklık duyarlı bir polimerdir. Polimer lower critical solution temp (LCST) altında hidrofilik ve suda çözünür, üstünde hidrofobik ve suda çözünmez. Bu LCST 31-32 ^oC dır.

Bu özelliği NIPAA ‘ya çok üstün özellik kazandırır. Ko-mono polimerler çapraz bağlayıcılar ve başlatıcılar kullanarak mikro ve nano küreler hazırlanabilir. NIPAA nın LCST değeri vücut sıcaklığına yakın olduğundan ve bu değer çeşitli co- monopolimerlerle ayarlanabildiğinden biyomedikal uygulamaları yaygındır.

NIPAA’nın Hidrojel, biyokonjugant ve polimerik mişeller şeklinde ilaç taşıyıcı olarak kullanıldığı yazılmaktadır.

Akıllı Polimerler

-N-İzopropil akril amid proteinler, DNA, RNA gibi biyomoleküllerin ayrılması ve saflaştırılması, çeşitli enzimlerein immobilizasyonu amacıyla da kullanılmaktadır. Ülkemizde nanoteknoli en çok bu tür akıllı polimer olarak adlandırılabilen polimerleri geliştirme,akıllı moleküllerle tepkime türünü kontrol altında tutma şeklinde gelişmektedir. Bazı üniversitemizin polimer laboratuarlarında nanoteknoloji alanındave prob mikroskoplarının geliştirilmesi ve üretimine yönelik yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bazı araştırıcılar nano partikül şeklinde polimerleri hazırlayarak gen tedavisinde kullanılabilmesini hedeflemektedirler. Polimerin (-) yüklü DNA ile elektrostatik etkileşmesini sağlamak için (+) yüklü bir co-monomer ile polimerleştirilmektedir. Taşıyıcı (-) yüklü DNA ile LCST nin üstündeki bir sıcaklıkta sıkı şekilde bağlanırken, altındaki bir sıcaklıkta DNA’yı serbest bırakması sıcaklık kontrolü ile sağlanmaktadır.

 Bir araştırıcı kitosan ve aljinat gibi polimerlerden mikro küreler de hazırlamaktadır. Bu mikrokürelere manyetik özellik kazandırmak için demir tozları polimere hapsedilmektedir. Enzim immobilizasyonu ve bakır gibi metallerin uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır.

Bazı Ülkelerde Nanoteknolojiye Yönelik Araştırma ve Uygulamalar

RUSYA da Nanoteknoloji Uygulamaları

1-Boyutları atom ve moleküllerle kaşılaştırılabilecek ölçüde elektronik devrelerin yapımı.2-Bir molekül büyüklüğünde nanoaletlerin, nano robotların geliştirilmesi,3- Tuğla ve briket örerek bir binanın yapımına benzer şekilde atom ve molekülleri tek, tek yakalayarak çeşitli maddelerin sentezlenmesi. 

Bu iki şekilde yapılmaktadır:

a) Mevcut bir maddenin yapısında atomların düzenini değiştirmek.  Karbon yapısını değiştirerek elmas üretmek bu uygulamaya iyi bir örnektir.b)Küçük moleküllerden büyük molekülleri sentezleme, buna su ve karbondioksitten bitkiler gibi şeker ve nişastayı sentezlemek örnek gösterilebilir. 

4-Yakın gelecekte nanoteknoloji akıllı devrelerin yapımında da uygulama bulacak. Bugün litografik örneklere uygun yarı iletkenler içine sedimente (dote) edilerek kullanımının sınırları zorlanmaktadır.

Teknolojinin bugünkü durumunda sadece iletkenlerin ve elementlerin düzlemsel yapıda fotolitografik yerleştirilmesi mümkün olmaktadır. Bu şekilde büyük ümitler bağlandığı gibi nöronların duyarlığı yakalanamaz.

 Bu ise bağlantı şeması teknolojisinin çağdaş çözümünü engeller.

Aktif nanoteknoloji metotları ile transistor ve diyotların aktif elementleri bir molekül büyüklüğünde üretilebilir ve üç boyutluluk da kazandırılabilir. Endüstriyel ölçekte atom montajı için mikro elektronik bir branş olabilir.

Nano alet terimi ile insan yaşamı değişecektir. Bunun anahtarı ise kendileri üretim yapabilen moleküller olacaktır. Bu moleküller atomları kullanarak kendilerine benzer molekülleri de yapabilecektir.

-Nano aletlerin gelişiminde basit bir öngörü atomlardan moleküllerin kendi kendini üretmesi mümkün olmasa bile bazı moleküller akustik ve elektromanyetik sinyallerle başka molekülleri başka bir işe sevk edecek şekilde davranış göstermektedir.

-Halen fantastik nano computerler yoktur.

-Rusya’da sadece bugünkü yapıda değil, nörolojik yapıda da olabilen çok hızlı bilgisayarların üretimine,-Opto elektronikle yüksek bant genişliğinde foto alıcıların yapımına,-Kimya endüstrisinde radikal değişiklik yapacak nonoteknolojik elektronik üretim mümkün olacaktır. Başlıca laboratuvarlarda oldukça ileri mesafe alınmıştır 

Endüstride alışılan üretim teknikleri yerine molekül robotları ile atom ve moleküllerden kopyalama aletleri ile sentezlenecektir. 21. YY başında bu alanda her tür maddenin sentezlendiği önemli başarı sağlanabilecektir.-Tarımda bitki ve hayvanlar gibi yiyecek üreten doğal makineler, yani moleküler robotlar geliştirilip kullanılacaktır. Yaşayan organlardaki gibi, ama çok kısa sürede ve etkili şekilde üretilecektir. Bu tür tarım doğa koşullarına bağımlı olmayacak ve büyük bir fiziksel iş istemeyecektir. Yiyecek sorununu da kökünden çözecektir. Bu tür üretimler 21.YY ortalarında gerçekleşecektir.

21. YY başına kadar iki boyutlu elektronik devre yerine hacimsel devreler yapılacaktır. PC lerin çalışma frekansı teraherz büyüklüğüne ulaşacaktır. Nöron benzeri protein molekülleri ile PC hafızaları Terabite (TB) ulaşacaktır.

-Ekolojide 21.YY ın ortasında insanların aktifliği ile zararlı maddelerin oluşumu önlenmiş olacaktır. Moleküler hijyen robotları geliştirilecektir. Atıklar bir başka maddenin üretilmesi için çıkış maddesi olarak kullanılırken, bir yandan da tarımsal üretimde nanoteknolojik tekniklerle atık üretilmesi önlenecektir.

-        Tıpta 21.YY ilk yarısında moleküler doktor robotlar geliştirilecektir. İnsan organında yaşayan bu robotlar organın zarar görmesini önleyecek veya gördüğü zararı tamir edecektir.

-        -Biyolojide 21.YY ortasında insan organı içinde doğrudan zarar gören veya ölen organın atomlarından tekrar sentezini sağlayacaktır. Yeni tip biyo robotlar geliştirilecektir.

Polonya’da Nanoteknoloji Çalışmaları 

-Nanokristal tozlar,

-Metallerden nano maddeler ve nano maddelerin elektronikte kullanılması,-Organik nano maddelerin sentezi, Yumuşak , manyetik nano maddeler,-Şarj edilebilir Lityum pil ve aküler üretimi için seramik nanomaddeler sentezi,- Polimer-yapı ve yüzey-hacim özelliğinden nano bağlantı araçlar yapımı, 

ÇEK Cumhuriyetinde Nanoteknoloji:

-Yeni teknoloji ve yoğun madde nanomaddeler,

-Moleküler biyofizik ve nükleik asitler, proteinler ve porfirinler araştırılıken, bir yandan da yarı iletkenler manyetooptik çalışmalar yapılıyor.

-Nanokompozitler ve mağnezyum alaşımları,

-Nanokristal tozlar,

-İnce tabaka ve  metal kaplama,

-Makro molekül fiziği ve plazma polimerleri, yüzey değiştirme, plazma polimer matrikslerde yarı iletken ve metaller, nano kompozit maddeler üretimi,

-Fizikokimya enstitüsünde cam üzerindeCDSe nanokristalleri çöktürme, CsCl matrikste CsPbCl ve InAs  nanokristalleri araştırılıyor.Yeni bilgisayar malzeme ve araçları üzerinde çalışma,

-Blok copolimer mişeller,

-Nano kaplama yüzeyler ve yarı iletken nano yapılar,

-Fulleron ve nanotüp üretimi,

-NMR spektroskopisi ile organik, biyoorganik molekküller ve moleküler modellerin incelenmesi,

-Nükleik asitler, proteinler, polimerlerin yapıları ve tayini,

-süper manyetik toz nanoparçacıklar

-Akıllı moleküller ve yapılar,

-Nanometrik boyutta ince yüzey kaplamaları,fonksiyon derecelendirme araçları,nano yapılar,yapısal seramikler,gelişmiş teknolojik işlemler, kesit yerlerinin dayanıklılığı,

-Nano benzerlik ölçümleri,

-Silisyum üzerinde halogram oluşumu,

-AB 6. Çerçeve Programı Nanoteknoloji araştırmaları.

Prob Mikroskopları

 Prob mikroskopları ailesinin iki temel üyesi atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı tünnelleme mikroskobudur (STM)

Atomik kuvvet Mikroskobu, sıvı ya da katı örneklerin yüzey topografisini nanometre (nm) seviyesinde görüntüleyebilen ve moleküller arası kuvvetleri (nN, pN) ölçebilen bir sistemdir.

Örnek ile iğne arasındaki kuvvet etkileşimi sonucu kaldıraç mekanizması nm ölçeğinde hareket eder. Bu hareketten faydalanılarak bilgisayar ortamına aktarılan veriler, yazılım aracılığıyla derlenerek ya örneğin görüntüsü elde edilir ya da iğne ve örnek arası etkileşimler ölçülür.

Atomik Kuvvet Mikroskopu Ve Çalışma İlkesi

Özellikleri ve Kullanım Alanları

Hassas bir iğnenin yüzeyi  taramasıyla, yüzeyin yüksek çözünürlüklü 3d görüntüsünü verir.

- Örneğin iletken olma koşulu yoktur.

 -Örnek hazırlama ve kullanım kolaylığı ve kapladığı hacim ile sem’e alternatif bir mikroskopik tekniktir.

-  Hava, sıvı, vakum ortamlarında görüntüleme yapabilir.

-Biyolojik örnekler, kaplamalar, seramikler, kompozitler, camlar, membranlar, metaller, polimerler ve yarıiletkenler  gibi materyallerin yüzeyleri ayrıntılı görüntülenebilir ve  elektriksel yük, manyetiklik, adhesif, hidrofilik davranış gibi çeşitli özellikleri belirlenebilir.

-İğne ucuna immobilizasyon ile moleküller arası çekim kuvvetlerinin ölçülmesi ve moleküler sensör çalışmaları gerçekleştirilebilir.

Atomik Kuvvet Mikroskobu  Nano Tıp, Nano Makineler ve  Nano Kütüphane işlevi de görür.

- Yüzey Modifikasyonu Modifiye Edilmemiş İğneler ile Denemeler

Afm İğnesi (Afm Tip, Si3n4)

Biyosensörler : Biyolojik olarak aktif materyaller içeren ve biyolojik ortamlarda bulunan çeşitli maddelerin analizi için kullanılan cihazlardır. Modifiye iğneler biyo sensör olarak kullanılabilir. 

 

Kaynaklar

1- M. Doğan, Yüzey Analiz Teknikleri Ders Notları, Hacettepe Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü 2001Ankara.

2-Ş. Doğutan Ülgen Atomik kuvvet mikroskobunun (AKM) nükleik asitler için moleküler sensör olarak kullanımı, Y. Lisans Tezi H.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü 2002 Ankara.

3-Cengiz Koçum, H.Ü. Mühendislik Fak. Kimya Müh. Bölümü, Özel Ders Notları ve literatür kolleksiyonu.