Nanoteknoloji: Aşağıda Bolca Yer Var!

🎧 Bu konuyu sohbet eşliğinde öğren · Nano Boyutta Altının Pembe Dönüşümü

►«1530»0:00 / 0:001×⤴

Yapay zeka ile seslendirildi.

1959 yılının sonlarına doğru ünlü fizikçi ve bilim iletişimcisi Richard Feynman Caltech’te bir toplantıya katılmıştı. Burada bilim dünyasını derinden etkileyecek o ünlü konuşmasını yaptı: “Aşağıda Bolca Yer Var: Fiziğin Yeni Alanına Girmek İçin Bir Davet” (Orijinal adı: “There’s Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics”) Bu konuşmanın ardından nanoteknolojinin temelleri atılmış oldu. Öyle ki, Feynman, konuşmasında tüm Britannica Ansiklopedisi’nin iğne ucu büyüklüğünde bir alana sığdırılabileceğini öne sürmüştü. Ayrıca, vücudun içerisinde gezebilecek nanorobotlar yapılabileceğini belirtmişti. Bunun yanında, oda büyüklüğünde bilgisayarlar yerine minyatür cihazların döneminin başlayacağını söylemişti. O zamanlar bilim kurgu hikayesinden alıntılanma gibi duran bu konuşma şu anda gerçeğin ta kendisidir. 

Cüce Parçacıklar

Nano kelimesi Yunanca “cüce” kelimesinden gelir. Nanoparçacıklar, 1 ile 100 nanometre arasında değişen boyutlara sahip malzemelerdir. 1 nanometre 1 metrenin milyarda biri, yani 10^-9 metre kadardır. Bu kadar küçük sayıları hayal etmek oldukça zor olduğu için birkaç karşılaştırma yapalım. Bir saç telinin kalınlığı yaklaşık 80-100 bin nanometredir. Tırnaklarımız her saniye ortalama 1 nanometre kadar uzar. Bir karınca yaklaşık 5 milyon nanometre uzunluğundadır. Çıplak gözle görebileceğimiz en küçük ölçek ise yaklaşık 20 bin nanometredir. Doğrudan göremeyeceğimiz kadar küçük olan bu “cüce” parçacıkları, bu yazıyı okuduğunuz telefonunuz veya bilgisayarınız da dahil olmak üzere günümüz teknolojilerinin birçoğunda kullanmaktayız. Hadi bu parçacıkları özel yapan şeyleri beraber öğrenelim!

Altın Ne Renktir?

Bir soruyla başlayalım: Altın ne renktir? Muhtemelen hepimizin vereceği yanıt “sarı” olacaktır. Ancak, yanıt vermeden önce sormamız gereken ilk soru altının hangi boyutta olduğudur. Bir külçe altın sarı renkte gözükürken nano boyutta bir altın pembe-kırmızı renkte gözükür. Bir parçacığın boyutu değiştikçe onun özelliği de değişebilir. Örneğin, külçe altın kimyasal reaksiyonlara girmeyi pek sevmez. Ancak, nano boyuttaki altın reaksiyonlara girebilir. Ayrıca, ışığı absorbe etme ve iletkenlik özelliklerine de sahiptir.

Peki Bu Özellik Farklılıklarının Sebebi Nedir?

İlk sebep nanoparçacıkların yüzey alanı ve hacim oranlarının makroskopik parçacıklara göre daha büyük olmasıdır. Başka bir deyişle, parçacık boyutu küçüldükçe yüzey alanı artar. Maddelerin tepkimeye girebilmeleri için en önemli etkenlerden birisi de yüzey alanıdır. Alan ne kadar genişse o kadar çok parçacık birbiriyle tepkimeye girebilir. Böylece hem reaksiyonun gerçekleşme ihtimali hem de hızı artmış olur. Bu sebeple nanoparçacıkların tepkime hızını artıran maddeler yani katalizörler olarak kullanılması da çok yaygındır.

Diğer bir olası sebep ise parçacık boyutu küçüldüğü zaman makroskobik dünyadaki fizik kurallarının neredeyse tamamen değişmesidir. Gözle gördüğümüz maddeler makroskopik maddeler olarak adlandırılabilir. Ancak nano boyuttaki malzemeler bir veya birkaç atom seviyesinde maddelerden olduklarından o kadar küçüklerdir ki gözle görmemiz mümkün değildir. Gözle görebildiğimiz dünyada klasik fizik yasaları hakimdir. Newton kanunları olarak da bilinen bu yasalar günlük yaşam için kusursuza yakın şekilde işlerken boyut küçüldüğü zaman işlevini yitirir ve anormallikler gözükür. İşte burada kuantum fiziği ve yasaları devreye girer. Grup halinde makroskopik düzeyde öngörülebilir hareketler yapan parçacıklar, tek kaldıklarında tahmin edilmesi neredeyse imkânsız hale gelerek bildiğimiz kuralların dışına çıkarlar. Ayrıca, madde boyutu küçüldükçe o maddenin elektriksel iletkenlik ve optik özelliklerini etkileyen elektron bant yapıları da değişiklik gösterir. Sonuç olarak, nanoparçacıkların makroskopik olanlara göre elektronik, optik ve manyetik özellikleri çok daha farklı olabilir.

Nanoparçacıklar Nasıl Elde Edilir?

Nanoparçacıkları elde etmek için iki temel yaklaşım vardır: İlki yukarıdan aşağıya (top-down) olarak bilinir. Bu yaklaşımda büyük yapıların çoğunlukla fiziksel veya mekanik bir kuvvet sonucunda daha küçük parçalara ayrılması amaçlanır.  Bu yöntem çoğunlukla endüstrideki büyük ölçekli üretimlerde kullanılır.

Araştırma laboratuvarlarında sıklıkla kullanılan diğer yöntem ise aşağıdan yukarıya (bottom-up) yöntemidir. Diğer yöntemin aksine bu yöntemde moleküler düzeyden başlanarak nanoparçacıkların kontrollü oluşumu hedeflenir. Senteze çoğunlukla bir metal tuzuyla başlanır ve onun iyonlarına ayrılması gerçekleşir. Metal iyonunun, örneğin Au(+3)’ün, metal parçacığa, örneğin Au(0)’a, indirgenmesi hedeflenir. Bu sayede iyon haldeki maddeden parçacık elde edilir. Ancak, doğası gereği tüm nanoparçacıklar topaklanma eğilimindedir. Yani, kendi aralarında birleşerek daha büyük yapılar oluşturma istekleri vardır. Bu durumun önüne geçilmediğinde, madde makroskopik ölçeğe doğru ilerleyebilir ve nanoparçacık özelliğini kaybedebilir. Topaklanmayı engellemek için genellikle yüzey aktif maddeler (surfactant) kullanılır. Çoğunlukla büyük boyutta olan bu maddeler nanoparçacıkların aralarına girerek onların topaklanmasını engellerler. Yüzey aktif maddelerin diğer bir amacı ise parçacığın istenilen şekilde elde edilmesini sağlamaktır.

Nanoteknolojidenin Olmazsa Olmazı: Elektron Mikroskobu

Önceki kısımlarda da bahsettiğimiz gibi, nanoparçacıklar çok küçük boyutta oldukları için çıplak gözle görmek imkansızdır. O halde onların nano boyutta olduğunu nereden anlayabiliriz? İşte bu noktada çok küçük parçacıkları görmek için elektron mikroskopları kullanılmaktadır. Elektron demeti gönderilip manyetik lensler ile odaklanma sağlanan bu mikroskopta elektronların saçılma, geçiş ve geri saçılma gibi davranışlarına bakılarak bir görüntü oluşur. Bu sayede maddenin yüzey yapısı, boyutu ve şekli hakkında bilgi elde etmek mümkündür. 

Nanoteknoloji Nerelerde Kullanılır?

Nanoparçacıklarda yüzey alanının çok önemli olduğunu öğrenmiştik. Bu yüzden parçacığın yüzey modifikasyonu da istenilen özellikleri verebilmek için çok önemlidir. Nanoteknoloji, atomların ve yüzeyin manipüle edilmesi sonucunda daha gelişmiş malzemeler yapmayı amaçlar. Günümüzde neredeyse her alanda nanoteknolojinin kullanıldığını görmekteyiz. Örneğin tıp alanında ilaç taşıma sistemlerinde kullanılmaktadır. Nanoteknoloji sayesinde çok küçük parçacıklara kapsüle edilen ilaçlar hedeflenen hücrelere doğrudan gönderilebilmektedir. Özellikle kanser araştırmaları için yalnızca hedeflenen hücreye uygulama yapmak çok önemlidir. Bunun yanı sıra, teşhislerde kullanılan biyosensörler ve görüntüleme cihazları nanoteknoloji sayesinde giderek gelişmektedir. 

Nanoteknoloji, elektronik endüstrisinde ise özellikle bilgisayar işlemcilerinde kullanılmaktadır. Kocaman telefonların “cep” telefonu haline gelmesi, bir oda büyüklüğündeki bilgisayarların çantamıza sığacak kadar küçülmesi nanoteknoloji sayesindedir.

Ayrıca, temiz enerji elde edilmesi, tepkimeleri hızlandıracak katalizörler elde edilmesi, robotik sanayi gibi neredeyse her alanda nanoteknoloji kullanımına yönelik ilgi giderek artmaktadır.

Yeni Bir Dünya

Maddelerin makroskopik dünyadaki özelliklerinin önemli bir kısmını biliyoruz. Ancak nano boyutta işler değişiyor ve aynı madde sadece boyut değişikliğinden dolayı farklı özellikler gösterebiliyor. Boyut küçüldükçe maddelerin özellikleri değişiyorsa, tüm maddelerin nano boyutlarını araştırmak; tamamıyla yeni ve heyecan verici bir alan oluşması anlamına geliyor. Atomları, boyutları ve yüzeyleri manipüle ederek teknolojiyi şekillendirmek artık bilim kurgunun konusundan çıkıp bilimin kendisi olmuş durumda. Carl Sagan’ın da dediği gibi “Muhteşem bir şey, bir yerlerde keşfedilmeyi bekliyor!”.

Kaynakça ve İleri Okuma