Nanoteknoloji ve Uygulama Alanları

Nanoteknoloji günümüzde yepyeni bir bilim dalı gibi görünse de aslında nanoteknolojik ürünlerin farkında olmadan kullanımı Antik Dönem'e kadar uzanmaktadır. Bunun en meşhur örneği, 4. yüzyıl Roma döneminden kalma, cam endüstrisinin eşsiz bir şaheseri olan Lycurgus (Likurgus) Kupası'dır. Bugün British Museum'da sergilenen bu tarihi kupa, önden ışık vurduğunda (yansımada) yeşil renk, arkadan aydınlatıldığında (içinden geçen ışıkta) ise kırmızı renk almaktadır. Yüzyıllar boyunca sırrı çözülemeyen bu renk değişiminin sebebi, ancak 20. yüzyılın sonlarında gelişmiş mikroskopların icadıyla anlaşılabilmiştir: Kupanın yapısında, sofra tuzunun binde biri büyüklüğünde, yaklaşık 50-100 nanometre boyutlarında altın ve gümüş parçacıkları kullanılmıştır. Bu durum, insanların nanoboyuttaki malzemelerin olağanüstü optik özelliklerini tarih öncesinde bile deneyimlediğini göstermektedir.

1. Nanoteknoloji Nedir?

Nanoteknoloji; boyutları 1 ila 100 nanometre arasında değişen malzemelerin özelliklerini inceleyen, bu maddeler üzerinde kontrol sağlayan, tasarım yapan ve yeni işlevsel malzemeler geliştiren disiplinler arası bir bilim ve mühendislik dalıdır.

"Nano", Yunancada "cüce" anlamına gelen (nanos) kelimesinden türetilmiştir ve bir ölçü biriminin milyarda birini ifade eden bir ön ektir. * 1 nanometre (nm) = $10^{-9}$ metre (Yani bir metrenin milyarda biridir).

Bu boyutun ne kadar küçük olduğunu hayal edebilmek için şu örnekleri düşünebiliriz: * Görünür ışığın dalga boyu 400 ile 700 nm arasındadır. * Bir DNA molekülünün genişliği yaklaşık 2 - 2,5 nm'dir. * İnsan saçının tek bir telinin çapı yaklaşık 80.000 nm'dir. Yani nanoteknoloji, gözle görülmeyen, hatta normal ışık mikroskoplarıyla bile tespit edilemeyen atomik veya moleküler boyuttaki bir dünyada çalışmaktadır.

Makroboyuttan Nanoboyuta Geçişte Değişen Özellikler

Nanoteknolojinin bilim dünyasında bu kadar heyecan yaratmasının temel sebebi şudur: Bir malzemenin makro (gözle görülebilen büyük) boyuttaki fiziksel ve kimyasal özellikleri, aynı malzeme nanoboyuta (1-100 nm arasına) küçültüldüğünde tamamen değişebilir. Makro dünyada geçerli olan klasik fizik yasaları, nanoboyutta yerini kuantum mekaniğinin kurallarına bırakır.

Bu değişimlerin iki temel nedeni vardır: 1. Yüzey Alanı / Hacim Oranının Artması: Bir madde küçültüldükçe hacmine oranla dış yüzey alanı devasa ölçüde artar. Bu da nanomalzemelerin yüzeyindeki atom sayısının artmasına ve dolayısıyla kimyasal reaksiyonlara (tepkimelere) karşı makro hallerine göre çok daha aktif (reaktif) olmalarına neden olur. 2. Kuantum Etkileri: Atomik seviyelere inildikçe elektronların davranışları değişir; bu da malzemenin optik (ışığı yansıtma/soğurma), elektriksel iletkenlik ve manyetik özelliklerini kökten değiştirir.

Örnek (Altın): Makro boyuttaki bir altın külçesi sarı renklidir ve kimyasal tepkimelere karşı son derece ilgisizdir (pasif/soy metal). Oysa aynı altın 1-100 nanometre boyutlarındaki parçacıklar (nanopartiküller) haline getirildiğinde, kuantum etkilerinden dolayı ışıkla etkileşimi değişir ve kırmızı, mor veya mavi renk alabilir. Üstelik kimyasal olarak oldukça aktif bir katalizöre dönüşebilir.

2. Nanoteknolojinin Avantajları ve Uygulama Alanları

Nanoteknoloji sayesinde üretimde "minyatürleşme" (küçülme) eğilimi başlamıştır. Malzemeler atom atom, molekül molekül işlenerek tasarlanır. Bu sayede makro boyuttaki benzerlerine göre: * Daha hafif ama çok daha dayanıklı (sağlam), * Daha az ham madde ve enerji kullanılarak üretilen (ucuz), * Enerji verimliliği yüksek, üstün nitelikli, kaliteli cihazlar ve malzemeler geliştirmek mümkün olmaktadır.

Nanoteknolojinin günümüzde dokunduğu ve gelecekte devrim yaratacağı başlıca sektörler şunlardır:

Elektronik ve Bilişim Teknolojileri

Bilgisayarların ve cep telefonlarının boyutları küçülürken hızlarının ve işlem kapasitelerinin nasıl artabildiğini hiç düşündünüz mü? Bunun cevabı nanoteknolojidir. Nanoölçekte üretilen transistörler ve devre elemanları sayesinde bir mikroçipin içerisine milyarlarca işlem birimi sığdırılmaktadır. Böylece cihazlar daha az enerji harcayarak (enerji verimliliği yüksek) çok daha hızlı çalışmaktadır. Gelecekte esnek ekranlar ve görünmez elektronik cihazlar daha da yaygınlaşacaktır.

Tıp ve Sağlık (Nanotıp)

Nanoteknolojinin belki de insanlığa en büyük katkısı tıp alanında olacaktır. * Akıllı İlaç Taşıyıcı Sistemler: Geleneksel kemoterapi tedavisinde kanser ilaçları hem kanserli hem de sağlıklı hücrelere zarar verir. Nanoteknolojik akıllı ilaçlar (nanorobotlar veya hedefli nanopartiküller) ise vücuda girdiklerinde sağlıklı dokulara zarar vermeden doğrudan kanserli hücreleri bulur ve ilacı sadece tümörün içine salgılar. * Nanosensörler: Hastalıkların çok erken teşhis edilmesinde kullanılır. Ayrıca görme, işitme veya dokunma gibi duyularını kaybeden hastalar için sinir hücreleriyle entegre olabilen nanocihazlar sayesinde engellerin ortadan kalkması hedeflenmektedir.

Tekstil (Akıllı Kumaşlar)

Kumaş ipliklerinin üzeri birkaç nanometre kalınlığında nanofilmlerle kaplanmaktadır. Bu sayede kumaşlar; sıvıları iten (su geçirmeyen), kir ve leke tutmayan, bakteri barındırmayan (antibakteriyel), buruşmayan (ütü gerektirmeyen) ve ter kokusunu engelleyen "akıllı giysiler" haline gelmektedir. Özellikle ekstrem koşullarda çalışan itfaiyeciler veya askeri personeller için hafif ama kurşun geçirmez, ısıya dayanıklı özel üniformalar üretilmektedir.

Gıda Endüstrisi ve Ambalajlama

Gıda ambalajlarında (plastiklerde) kullanılan kil nanotüpler sayesinde oksijen ve nemin paketin içine girmesi engellenerek yiyeceklerin raf ömrü uzatılmaktadır. Ayrıca ambalajların içine yerleştirilen nanosensörler, gıdanın içinde bakteri üremeye başladığında veya gıda bozulduğunda renk değiştirerek tüketiciyi uyarmakta, böylece gıda güvenliği artırılmaktadır.

Kozmetik

Güneş kremlerinin ciltte bıraktığı beyaz tabakayı önlemek için titanyum dioksit ($TiO_2$) ve çinko oksit ($ZnO$) gibi maddeler nanopartikül boyutunda kremlere katılır. Bu nanotanecikler, görünür ışığı geçirerek beyazlık bırakmazken zararlı UV (ultraviyole) ışınlarını filtreler. Ayrıca cilt gençleştirici kremlerde antioksidan (serbest radikal süpürücü) olarak fulleren gibi nanokarbon yapıları ile hücrelere daha iyi nüfuz etmesi için altın/gümüş nanopartiküller kullanılır.

Otomotiv, Yapı ve Enerji

• Otomotiv: Karbon nanotüpler (çelikten yüzlerce kat daha dayanıklı ama çok daha hafif bir malzeme) veya grafen otomobil lastiklerine katılarak aşınma direnci ve yol tutuşu artırılır. Camlara su kaydırıcı nanofilm, kaportaya ise çizilmez ve boya koruyucu nanokil kaplamalar uygulanır.
• Yapı malzemelerinde kendini temizleyen ve asla kirlenmeyen dış cephe boyaları, buğulanmayan camlar; uzay ve havacılık sektöründe çok daha hafif ve dayanıklı roket/uçak gövdeleri nanoteknolojinin eseridir.

3. Nanoteknolojinin Geleceği ve Riskleri

Nanoteknoloji, gelecekte ülke ekonomilerini belirleyecek, sanayi devriminden daha büyük bir etki yaratacak stratejik bir alandır. Gelişmiş ülkeler bu alana milyarlarca dolar yatırım yapmaktadır. Türkiye'de de bu teknoloji yarışında geri kalmamak adına atılan en önemli adımlardan biri Bilkent Üniversitesi bünyesinde kurulan Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (UNAM) gibi kurumlardır.

Bununla birlikte, nanoteknolojinin olası olumsuz etkileri (riskleri) de vardır: * Nanomalzemelerin insan sağlığı ve çevre üzerindeki uzun vadeli etkileri, boyutlarının çok küçük olmasından dolayı henüz tam olarak bilinmemektedir (Toksisite riski). * Solunum yoluyla veya cilt gözeneklerinden vücuda giren bazı nanopartiküllerin hücre zarlarına ve DNA'ya verebileceği zararlar üzerinde araştırmalar devam etmektedir. * Her ileri teknoloji gibi nanoteknoloji de, bu teknolojiye sahip ülkeler ile sahip olmayanlar arasındaki gelir dağılımı eşitsizliğini daha da derinleştirebilir ve gizlilik/güvenlik ihlallerine (görünmez casus kameralar vb.) zemin hazırlayabilir. Bu nedenle nanoteknolojik ürünler geliştirilirken bir yandan da insan ve çevre sağlığını koruyacak uluslararası düzenlemelerin ve etik kuralların belirlenmesi şarttır.