Nanoteknoloji nedir? Nanobilim nedir? Tanım ve örnekler

Nanoteknoloji, isim olarak “nano” ve “teknoloji” kelimelerinin birleşiminden oluşmaktadır. Teknoloji kelimesine günlük hayatımızdan aşinayız ama nano sözcüğü günlük hayatta çok karşılaştığımız bir sözcük değil. Öncelikle “nano” ne demek ve iki kelimenin birleşimi “nanoteknoloji” neyi ifade ediyor bunu tartışacağız. Sonra da nanoteknolojinin doğuş hikayesinden ve temellerinden bahsedeceğiz.

Nano, başına eklendiği birimlerin milyarda birini ifade eder. Yani nanometre dediğimizde, 1 metrenin milyarda birini düşünmek zorundayız. Nano kelimesini yanına eklendiği birimleri 10⁹ küçültmesinin yanında ifade ettiği durum aslında çok küçük olmasıdır. Örneğin, bir bilyenin dünyaya oranını düşünün. Bunun ne kadar küçük bir oran olduğunu düşünebiliyor musunuz? Bir nanometrenin metreye oranı, bilyenin dünyayla oranıyla neredeyse aynıdır. Hidrojen atomunun çapı yaklaşık 1 Angstrom yani 0,1 nanometredir. En büyük atomun yarıçapı da 0,25 nanometre civarındadır. Ayrıca, bir hücre zarının 12 nanometre olduğunu düşündüğümüzde nanoteknolojinin ne denli küçük, neredeyse atomik boyutlarla ilgilenen bir bilim dalı olduğunu görüyoruz. Madde nedir sorusu nanoteknoloji ile başka bir anlam kazanıyor.

Yukarıdaki resimde Chicago’daki bir gökdelen gösteriliyor. Gökdelenin yüksekliğini bir saç telinin çapı (kalınlığı) olarak alırsanız, resmin altındaki kırmızı nokta saç teline göre 1 nanometrenin büyüklüğünü gösteriyor. Nanometre gerçekten çok küçük bir uzunluk.

Teknoloji ise, bilinen veya geliştirilen yöntemleri ve bilgileri kullanarak insan hayatını kolaylaştırma veya iyileştirme amacıyla “yararlı” ürünler üretme sürecidir. Akıllı telefonlar bir teknoloji ürünü olduğu gibi, masalar ve sandalyeler de belirli bir maddenin bilgi ve yöntemle harmanlanmış halidir, dolayısıyla teknolojinin ürünleridir.

Nanoteknolojinin amacı maddeyi atomik, moleküler ve supramoleküler seviyede kontrol etmektir. Var olan teknolojileri geliştirerek boyutlarını küçültebildiği için kapsadığı alan geniştir. Bilimin olduğu hemen her sektörde; sağlık, sanayi, elektronik, biyomalzeme, enerji ve daha birçok alanda nanoteknoloji çalışmalarını görebiliriz. Örneğin, nanobilim ile sağlık sektöründe kanser hastalarının kanserli hücrelerini tedavi etmek amacıyla vücuda mikroskobik boyutta robotları alıp hücreleri tedavi etmeleri mümkün olabilir. Bu konuda en az on yıldır yoğun araştırmalar yapılmaktadır.

Yukarıdaki resimde alyuvarlara bile ulaşıp onları kontrol edebileceği düşünülen nanorobotların konsepti gösteriliyor. Henüz bu nanobotları üretemedik ama bu hiç üretemeyeceğimiz anlamına gelimiyor.

Örneğin, Mortensen ve arkadaşları 2007 yılında, akyuvarların bir türü olan T hücrelerine bor karbür nanoparçacıklarını yüklemişler. Bor karbürü nanoparçacık haline getirmek için günlerce tungstenden yapılmış özel değirmenlerde öğütmüşler. Sonra bu T hücrelerini, içinde kanserli doku bulunan bir petri kabına koymuşlar. T hücrelerinin özelliği yalnızca kanserli hücrelere saldırmaları. Sonra kanserli dokuyu nötron ışımasına tabi tutmuşlar. Nötronla etkileşen bor, çekirdek tepkimesi sonucu lityuma dönüşürken tam olarak bir hücreyi yok edecek kadar enerji açığa çıkarmış. Bor yalnızca kanserli hücrelere gönderildiği için, yalnızca kanserli hücreleri öldürmeyi başarmışlar. Kemoterapinin ve radyoterapinin en büyük sorunu sağlıklı hücrelere de zarar veriyor olması. Bu teknoloji insanlarda kullanılmaya başlanırsa, kanser tedavisinde çok büyük ilerleme sağlanabilir. Öte yandan, böyle ilaçların insanlar üzerinde denenmesinin izninin alınması on yılları buluyor. Ayrıca beden dışında işe yarayan ilaçların bir çoğu canlı insan vücuduna verildiğinde aynı etkiyi göstermeyebiliyor ya da beklenmedik yan etkileri olabiliyor.

Bu araştırmanın önemli bir başka sorunu da gereken enerjiye sahip nötronları nereden bulacağımız sorusu. Yüklü bir parçacık olsaydı, proton ya da elektron gibi, işimiz daha kolay olabilirdi. Ama nötronların belirli bir enerjiye ulaşana kadar hızlandırılması gerekiyor. Yüksüz bir nötronu nasıl hızlandırırsınız? (Cevabı milyon dolar kazandırabilir size. Peki yüklü parçacıkları nasıl hızlandırırsınız? Bunun cevabı da üniversite sınavını kazandirabilir.) İstenen enerjideki nötronlar yalnızca doğal olarak oluşan ya da kontrollü gerçekleştirilen çekirdek tepkimelerinden elde edilebiliyor. Bu nedenle ya hastaları nükleer reaktörlere götürmek gerekiyor, ya da hastanelere nükleer enerji reaktörleri inşa etmek gerekiyor. İkisi de pratikte sorunlara yol açacak gibi görünüyor. Yine de başlangıç için bu ekip 10 milyon dolar fon bulabilmiş.

Gu ve arkadaşları 2013 yılında nanoyapıların ve nanoparçacıkların kemik kanseri türlerinde kemik dokusunun yeniden yapılmasını sağlamak için nanoyapıların iskele olarak kullanıldığını anlatıyor. Tıpkı inşaatlardaki iskeleler gibi, nanoparçacıklar kemik dokusu oluşana kadar bünyeye destek oluyor. Ayrıca gen terapisinde de DNA ve RNA’yı hücrelerin özel bölgelerine ileten nanoparçacıklardan bahsediliyor.

Sağlığın dışında inşaat ve tekstil gibi alanlarda da nanoteknoloji kullanılıyor. Araştırmalar kendi kendini güneş ışığıyla temizleyen dış cephe boyalarının üretilmesini sağladı. Şimdi de kıyafetler içerisindeki mikroçipler sayesinde leke tutmayacak, kendi kendini temizleyecek kumaşlar üzerinde çalışılıyor.

Nanobilimin Temelleri

Nanobilim, atomlarla ve moleküllerle neredeyse teker teker uğraştığı için, nanometre boyutundaki maddelerle çalışan bilim dalıdır. Nanobilimin doğuşunda yatan sebep boyutları küçük malzemeleri, hatta makineleri üretme arzusudur. Ünlü fizikçi Richard Feynman’ın “There is plenty of room at the bottom” (aşağıda daha çok yer var) başlıklı konuşmasında bilim insanlarının atomları ve molekülleri kontrol edebileceklerinden bahsetmesiyle birlikte, nanobilim konuşulmaya başlanmıştır. Ancak nanoteknoloji terimini ilk kullanan isim Nario Taniguchi’dir. 1984 yılında nanoteknoloji terimini ilk kez bir makalesinde kullanan Norio Taniguchi, nanoteknolojiyi şöyle tanımlamıştır: “Nanoteknoloji, maddelerin bir atom veya bir molekülünde meydana gelen ayırma, birleştirme ve bozmadır.” Nanoteknolojinin daha sonradan bir modern bilim dalı halini alması taramalı tünelleme mikroskobu (1981) ve atomik kuvvet mikroskobunun keşfiyle beraber başlamış ve bu araştırma alanı nanoteknoloji adını almıştır.

Taramalı tünelleme mikroskobunun (Scanning tunneling microscope – STM ) keşfiyle birlikte iletken yüzeyler atomik seviyede incelenebilmiş, çekirdek çevresindeki elektronların üç boyutlu haritası çıkartılabilmiştir. Bunun nanobilim için büyük bir buluş olmasının sebebi, daha önceki mikroskoplarla (elektron mikroskobuyla bile) tek bir atoma odaklanıp onu oluşturan çekirdek ve elektronlara dair bir resim elde edebilmenin mümkün olmamasıdır.

Yukarıdaki resimde bir taramalı tünelleme mikroskobu modeli görülüyor.

Atomik kuvvet mikroskobu (Atomik force microscope – AFM) da taramalı tünelleme mikroskobu gibi yüzeylerin atomik özelliklerini incelemeyi sağlar ancak diğer mikroskobun yapamadığı bir şeyi daha yapar; iletken olmayan yüzeyleri inceleme imkanını da sunar. İki mikroskop da birbirinden çok farklı tekniklerle yüzeydeki atomlar hakkında bilgi sağlarken AFM’nin görüntü kalitesi STM’ye göre daha düşüktür.

Soru: Atomik kuvvet mikroskobunun nanoteknoloji için görevi nedir?

A) Atomlara kuvvet uygulayıp hareket ettirmek.

B) Yüzeydeki atomları incelemeye olanak sağlamak.

C) Atomların yapılarını bozmak.

D) Malzeme içerisindeki atomların yapılarını değiştirmek.

Cevap: B. Atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobu yüzeylerdeki atomları incelemeye olanak sağlar, tek tek atomlar üzerinde çalışmaya izin vermezler.

Soru: Günlük yaşamdan bir problem düşünün, nanoteknolojiyi kullanarak bu probleme nasıl yaklaşacağınızı ve çözümlerini tartışın.

Nanomalzemelerin Özellikleri

Daha önce nanobilimin tanımından ve temellerinden bahsetmiştik, nanobilimdeki minyatürleştirme eğilimi bilim insanlarını bu küçük boyutlu malzemelerin boyutlarındaki ve dolayısıyla, özelliklerindeki değişimi gözlemleme imkanını sağlamıştır. Nanobilimcilerin, 1 nm – 100 nm arasında nanoparçacıklar üretebildiğini ve bu parçacıkların gösterdiği farklı fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri inceleyebildiğini biliyoruz. Nanobilimde kullanılan nanomalzemeler boyutlarına göre nanoparçacık, nanotel ve nanolevha olarak sıralanmaktadır.

Nanoparçacıklar, boyutları 1 nm ve 100 nm arasında değişen tek boyutlu olduğu düşünülen parçacıklardır. Nanoparçacıkların yapılarındaki en küçük değişimler bile bazı bağların zayıflayıp bazılarının güçlenmesine sebep olabilmekte ve dolayısıyla öncekine göre daha farklı kimyasal ve fiziksel özellikler sergilemelerini sağlayabilmektedir.

Bir tür nanomalzeme olan nanoteller, nanoparçacıkların aynı düzlemde dizilmesiyle elde edilir. Nanotellerin çapları küçük tutulur ve boyları istenilen ölçüde uzatılır. Böylece uzunluğunun genişliğine (boy/en) oranı çok yüksek olabilir. Örneğin, bir insan saç telinin kalınlığı 60 mikrometre – 120 mikrometre arasındadır. Bir nanotel genişliğine ulaşabilmek için saç telini 60000 kez uzunluğu boyunca keserek inceltmek gerekir. Nanoteller, metal (örneğin Nikel ve Gümüş), iletken (örneğin YBCO), yarı iletken (örneğin Si, GaN) veya yalıtkan (örneğin, SiO₂, TiO₂ ) olarak üretilebilmektedir. Nanoteller aynı sırayla birbirini tekrarlayan organik veya inorganik moleküllerin dizilimiyle elde edilir.

Nanolevhalar, iki boyutta üretilen ve kalınlıkları 1 nm – 100 nm olarak değişen nanomalzemelerdir. Nanolevhanın teknolojide en çok kullanılan örneklerinden biri dünyadaki en ince iki boyutlu materyal olan grafendir. Grafen, karbon atomlarının birbirlerine beşgen bal peteği kristal yapısıyla bağlanarak tek katmanlı bir yapının ortaya çıktığı bir karbon allotropudur. Grafit de grafen gibi iletken bir karbon allotropudur. Ancak kurşun kalemlerde kullanılan grafitte, grafene göre, karbon atomları arasındaki bağ daha zayıftır. Bu nedenle karbon atomları arasındaki bağlar grafitte kolaylıkla kırılır, işte bu nedenle kurşun kalemle yazarken kalemin ucundan ucundan kağıda grafit yayılır.

Yukarıdaki resimde tek düzlem üzerinde karbonlar arası üçer bağ yapan ve petek görünümü oluşturan grafen molekülü görünüyor.

Teknoloji alanında çok yaygın olan nanomalzemelerden biri olan karbon nanotüpler, grafene tüpe ya da boruya benzer şekil verilmesiyle elde edilir. Karbon nanotüplerin kullanılacağı alana göre, uzunluk/genişlik oranı ayarlanabilir ve tıpkı nanotellerde olduğu gibi bu oran çok yüksek olabilir. Karbon nanotüpler, çok güçlü malzemelerdir, şekilleri gereği yüzey alanları geniştir ve elektrik akımını ve ısıyı çok iyi iletirler. Bu özellikleri sayesinde karbon nanotüpler birçok alanda kullanılabilir. Örneğin, akıllı telefonların, tabletlerin ve bilgisayarların dokunmatik ekranlarında ve dayanıklılığı çok yüksek olması gereken kurşun geçirmez yeleklerde karbon nanotüpler kullanılır. Aşağıdaki resimde bir karbon nanotüp modeli görülüyor.

Buckminister fulleren adlı bucky ball da denen, küre şeklinde dizilmiş 60 tane karbon atomundan oluşan bir molekül en ünlü nanomalzemelerden biridir. Buckminister fulleren molekülünde her karbon atomu diğer karbon atomlarıyla 4 bağ yapar. 1985’te keşfedilen fulleren, tıpta hastaların vücutlarına ilaç aktarımı alanında kullanılıyor. Görüldüğü gibi, grafit, grafen ve fulleren sadece karbondan oluşan moleküllerdir. Ama bu malzemelerdeki karbon atomları sayısındaki farkın yanında karbon atomların dizilimi ve yapısı, bu çeşit moleküllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini büyük ölçüde değiştirir. Bu nedenle bu farklı nanomalzemeler elektrik, teknoloji, tıp ve daha birçok sektörde bu malzemelerden yararlanmamızı sağlar. Aşağıdaki resimde bir bucky ball, yani Buckminister fulleren molekülü modeli görülüyor.

Nanomalzemelerin Teknolojideki Yeri

Nanoteknoloji, moleküllerin ve atomların dizilimiyle ilgilenen bir bilim dalıdır. Bir malzemedeki atomların farklı dizilimiyle yeni ve daha üst özelliklere sahip yeni malzemeler üretilebildiği için, nanoteknoloji gelişime ve yeni kullanım alanlarına açık bir alandır. Nanoteknoloji boyutları küçülttüğü ve bununla ters orantılı bir şekilde malzemelerin fonksiyonelliğini ve işlevselliğini artırdığı için, daha uygun fiyatlı, daha hafif ve daha dayanıklı ürünler üretebilmemize olanak sağlar.

Nanoilaçlar, hastalıkları engellemek veya tedavi etmek amacıyla uygulanan bir yöntemdir. Şimdilik nanoilaçlarla lösemi ve lenfoma kanser hücrelerinin tespit edililip öldürülmesi başarıldı. Gelişmekte olan bu yöntem ile birlikte nanorobotlar vücutta hücresel seviyede tespitler ve düzeltmeler yapabilecek. Nanorobotlar hücrelere ulaşıp hücrelerin davranışlarını denetleyip düzenleyebilecek.

Nanoboyutta değişiklikler yapılan malzemeler ile kıyafetlerin dayanıklılığını artırmak, kırışmalarını engellemek, ve yüzeyinde bakteri çoğalmasını yani kirlenmesini engellemek mümkün. Ayrıca, dokunmatik ekranlara kaplanan nanoboyuttaki filmlerle, ekranların su tutmamasını, kendi kendini temizlemesini, çizilmesininin önüne geçmek de nanoteknolojiye dayanan çalışmalar arasında. Aşağıdaki resimde 100 nm boyutundaki iplikçikler görülüyor. Bu iplikçikler kullanılarak leke tutmayan, kendi kendini temizleyebilen, ıslanmayan kumaşlar elde edilebiliyor.

Malzemeleri nanoboyutta hem daha dayanıklı hem de daha hafif hale getirilebildiğimiz için, ulaşım araçlarını daha hafif ve dayanıklı malzemelerle üretmemiz mümkün olabilir. Böylece yakıt tüketimini azaltıp, enerji tasarrufu yapabiliriz.

Nanoteknoloji ile ilgili kazanımlar

2017 – 12.6.4.1. Nanobilimin temellerini açıklar.

• Fizik bilimi ile nanobilim ve nanoteknolojinin ilişkisi üzerinde durulur.
• Fonksiyonel ve doğal nanoyapılara sahip sistemlere örnekler verilir.

2017 – 12.6.4.2. Nanomalzemelerin temel özelliklerini açıklar.

• Malzemelerin nano boyutlara indirilmesi durumunda yeni özellikler kazandıkları vurgulanır.

2017 – 12.6.4.3. Nanomalzemelerin teknolojideki kullanım alanlarına örnekler verir.

• Nanomalzemelerin bilim ve teknolojinin gelişimine etkisi vurgulanır.

Nanoteknoloji ile ilgili MEB ve EBA Testleri

• Mezun YGS LYS Fizik B: Süper İletkenler, Nanoteknoloji, X ve Lazer Işınları, Bilimsel Araştırma Merkezleri – Test – 56 (2017) (PDF)
• 12. Sınıf Fizik: Modern Fizik 7 – Test – 23 (2017) (PDF)
• Testlerin cevap anahtarları burada

Kaynaklar

• Gu ve arkadaşları. Nanotechnology in the targeted drug delivery for bone diseases and bone regeneration. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3699134/
• Mortensen ve arkadaşları (2007). Next generation adoptive immunotherapy–human T cells as carriers of therapeutic nanoparticles. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18283847
• What is Nanotechnology? https://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition