Nanomalzemeler

Nanomalzemeler

Nanoteknoloji günümüzde çok sık duyulan bir terimdir ve giderek tüm sanayi kollarında ve sağlık alanında kullanımı artmakta ve insan hayatındaki sorunlara çözümler sunmaktadır. Nano kelimesi anlamını yunanca olan ve cüce anlamına gelen ‘nanos’ sözcüğünden almaktadır. Nanoparçacıklar büyüklüğü 1 ve 100 nanometre arasında değişen materyallerdir. Bir nanometre metrenin milyarda biridir (Şekil 1). Nanoteknoloji kısaca boyutları milyarda bir olan malzemelerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik yapılarını araştıran ve kullanım alanlarıyla ilgilenen disiplinler arası bir alandır [1]. Nanomalzemeler nanoteknolojinin temel taşlarını oluşturlar ve bu boyutta eşsiz optik, manyetik ve elektriksel özellikler taşırlar. Nanoteknolojiyi bu kadar ilginç kılan unsur, malzemelerin bu boyutta makro dünyadan farklı davranmalarıdır. Makro boyuttan nano boyuta geçerken güç/ ağırlık oranı, iletkenlik, optik ve manyetik özellikleri kayda değer biçimde değişmektedir [4].

Şekil 1. Nano ve Mikro Boyutta Doğada Bulunan Yapılar [5]

Nanoteknolojinin Tarihçesi
Nanomalzemeler ilk olarak 1959’da Richard Feynman tarafından ortaya atılmıştır. Feynman, Kaliforniya Teknoloji Üniversitesi’nde verdiği bir derste ilk defa tek tek atomları ayırmaktan ve kontrol etmekten bahsetmiştir. Bu nedenle Feynman nanoteknolojinin babası olarak isimlendirilmiştir. Feynman’ın düşüncesinden yola çıkarak ilerleyen Norio Taniguchi 1974’te ilk olarak ‘nanoteknoloji’ tanımını yapmıştır. Taniguchi nanoteknolojiyi materyalleri tek atom olarak ayırma, birleştirme veya deforme etme olarak tanımlamıştır. 1981de Eric Drexler yazdığı ‘Molecular Engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation’ isimli makale ile moleküler nanoteknolojinin öncüsü olmuştur. Bu çalışmalar 1981’de Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer tarafından bulunan Taramalı Elektron Mikroskobu’nun (TEM) keşfi ile hız kazanmıştır. Bundan beş yıl sonra Atomik Kuvvet Mikroskobunun (AFM) bulunmasıyla tek atom görüntüleri alınmıştır [2].

Boyutlarına Göre Nanomalzemeler
Nanomalzemeler boyutlarına göre dörde ayrılırlar:
• Sıfır Boyutlu Nanomalzemeler (0D),
• Tek Boyutlu Nanomalzemeler (1D),
• İki Boyutlu Nanomalzemeler (2D),
• Üç Boyutlu Nanomalzemeler (3D).

1) Sıfır Boyutlu Nanomalzemeler (0D)
0D nanomalzemeler nanotoz veya nanodispersiyon şeklinde, birbirinden izole halde bulunan malzemelerdir. Günümüzde bu malzemeler çok farklı şekillerde bulunmaktadır ve çeşitli araştırma grupları tarafından sentezlenmektedir. 0D malzemelerden bazıları; homojen parçacık yüzeyleri halinde bulunan kuantum noktalar (quantum dots), nanoküreler (nanospheres), fullerenler, çekirdek (core shell) nanoparçacıkları ve içi boş nanokürelerdir. (hollow nanospheres) Bunların örnekleri Şekil 2’de görülmektedir. 

Şekil 2. Sırayla Çekirdek Nanoparçacığı, İçi Boş Nanoküre, Nanoküre ve Nanotüp Tem Görüntüleri

1) Tek Boyutlu Nanomalzemeler (1D)
1D nanomalzemelere örnekler; nanoçubuklar ve nanotüplerdir. Nanotüpler Iijima tarafından bulunmuştur ve günümüzde giderek önem kazanmaktadır. 1D nanomalzemeler nanoelektronik, nanosistem, nanoaygıtlarda ve nanokompozitlerde, alternatif enerji kaynaklarında ve ulusal güvenlik alanlarında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. 
2) İki Boyutlu Nanomalzemeler (2D)
2D malzemeler nanometrik boyuttaki film ve kaplamalardır. Günümüzde 2D malzemeler giderek önem kazanmakta ve kullanım alanları artmaktadır. 2D malzemelerin keşfi grafen ile başlamıştır ve sonrasında boron nitrür ve molibden disülfit gibi birçok malzeme bulunmuştur.
3) Üç Boyutlu Nanomalzemeler (3D)
3D malzemeler toz yapılı, lifli, çok katmanlı ve polikristal malzemelerdir. Örnekleri; elmas ve grafittir.

Nanomalzemelerin en çok kullanılan çeşitleri grafen ve karbon nanotüplerdir (CNT). Grafen ilk keşfedilen 2D nanomalzemedir. Grafen karbon atomlarının bal peteği yapısında dizildiği çok katmanlı grafit katmanlarının ayrılmış halidir. Grafitin on altıncı yüzyıldan beri bilinen bir malzeme olmasına rağmen grafen 2004’te Andre Geim’ın araştırmaları sonucu bulunmuştur. Grafenin bu kadar çok tercih edilmesinin nedenleri kendine özgü eşsiz özellikleridir. Grafen oldukça hafif, çelikten yüz kat daha sağlam bir malzemedir, elektriksel iletkenliği çok yüksektir, tek katmanlı olduğunda %97 oranında saydamdır ve %20 oranında esnektir. Grafenin bu kadar sağlam olmasının nedeni karbon karbon çift bağlarından oluşan moleküler yapısıdır ve bu bağ doğadaki en sağlam bağlardan biridir. Bu sayede kurşungeçirmez malzemelerde grafen kullanımına sıkça rastlanmaktadır. Grafen oksit ve farklı atomlar katkılanmış grafen de sıkça savunma sanayisinde ve geri dönüştürülebilir enerji kaynaklarında kullanılmaktadır [3].

Karbon nanotüpler (CNT) grafenin katlanmış ve bir tüp halini almış halidir. Tek duvarlı ve çok duvarlı karbon nanotüpler olarak ayrılmaktadır. CNT’lerin kendilerine özgü kristal yapıları sayesinde birçok farklı özellikleri ve kullanım alanları vardır. CNT’ler çok ince çaplarına karşın oldukça uzun olabilirler. CNT’ler hafif ve esnek, elektriksel iletkenliği yüksek ve mekanik dayanıklılığı oldukça fazla olan malzemelerdir. Duvar yapısındaki karbonların dizilimine göre dayanıklılığında ve iletkenliğinde farklılıklar gözlemlenmektedir. CNT’ler hem sağlık sektöründe hem de alternatif enerji kaynaklarında sıkça kullanılmaktadır. İmplant malzemelerinde, biyosensörlerde, enerji kaynaklarında katalizör olarak ve yapay kas yapımında sağlam ve esnek yapıları CNT’leri en uygun adaylardan biri yapmaktadır. 

 Şekil 3. Grafen, Tek Katmanlı Karbon Nanotüp ve Çok Katmanlı Karbon Nanotüp Molekül Şekilleri

4) Kullanım Alanları
Dünya genelinde 1997 yılında nanoteknolojiye yapılan yatırım 430 milyon Dolar iken 2004 yılında 90 milyar Dolara yükselmiş ve 2020 yılı itibarıyla nanoteknolojinin yıllık 3 trilyon Dolarlık yatırım ile küresel bir endüstri olması öngörülmektedir [6].

Trend teknolojiler arasında hızla etkisini artırmakta olan nanomalzemelerin kulanım alanları (Şekil 4) eksponansiyel olarak artış göstermektedir. Birim ağιrlιk başιna şu andakinden 50 kat daha hafif ve çok daha dayanιklı malzemeler üretilebilecek ve bunlarιn sonucu olarak bu malzemeleri nano ölçekte kuantum bilgi işleme yapan süperbilgisayarlar, çok gizli istihbari ve savunma görevlerinde yer alacak nanorobotlar, beyinsel kapasiteyi artıracak nanohafızalar, kirlilik önleyici nanoparçacιklar olarak tekstil, uzay ve havacιlιk, bilişim, kompozit, elektronik, sağlık gibi çok çeşitli alanlarda kullanmaya başlayacağız [8].

Şekil 4. Nanomalzeme Kullanım Alanları Diyagramı [7]

Sonuç
Nanoteknoloji ve nanomalzemeler (özellikle grafen vb.) Türkiye’nin Sanayide Yüksek Teknoloji Geçiş Programında mutlaka detaylı şekilde ele alınması ve yapılanmaya gidilmesi gereken bir alandır. Gelecekte mesleklerin kayda değer bir bölümü bu alanda oluşacak ve üretim tesisleri bu teknolojiyi ve malzemeleri kullanan endüstrilere dönüşecektir. Bu malzemelerin çevresel ve sağlık faktörleri de ayrıntılı şekilde araştırılmalıdır. Bu malzemelerin ithalinde yaşanabilecek negatif dışsallık sağlayacak unsurları giderecek çalışmalar hayati önem taşıyacaktır.

Kaynaklar: 
[1] A. Alagarasi (2011), Introduction to Nanomaterials, Chapter 1, 76
[2] J. E. Hulla, S. C. Sahu, A. W. Hayes (2011), Nanotechnology History and Future, Human and Experimental Toxicology, 34, 12, 1318-1321
[3] R. M. Balleste, C. G. Novarro, J. G. Herrero, F. Zamora, 2D materials: to graphene and beyond, Nanoscale, 2011, 3, 20-30
[4] Rao, C, N, R, Müller, A, Cheetham, A,K, Nanomaterials Chemistry, 18-31, 2007.

[6] Khan , A,S, Nanotechnology: Ethical and Social Implications, CRC Press, 2-5, 2012.

[8] Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu, Ulusal Bilim ve Teknoloji Politikaları 2003-2013 Strateji Belgesi, http://www.tubitak.gov.tr/tubitak_content_files/vizyon2023/Vizyon2023_Strateji_Belgesi.pdf ( Erişim Tarihi: 05/06/2018).