Metal Nanoparçacıklar
Nanoteknolojinin gerekliliği ve sunduğu avantajlar hayatın pek çok alanında belirgin bir şekilde görülür. İlaç taşıma sistemlerinde kullanılan nanoparçacıklar ilaçların hedeflenen bölgelere daha hızlı ve doğrudan ulaşmasını sağlar; bu sayede tedavi süreçleri daha etkili hâle gelir. Kanser tedavisi, doku mühendisliği ve tanı süreçlerinde nanoteknolojinin rolü büyüktür. Tarım alanında nanoparçacıklar bitki koruma ve besleme ürünlerinin verimliliğini artırmada kullanılırken, kozmetik sektöründe cilt bakım ürünleri ve güneş kremleri nanoparçacıklar sayesinde daha etkili sonuçlar verir. Su arıtma sistemlerinde kullanılarak suyun temizlenme süreci hızlandırılır; bu durum su kaynaklarının sürdürülebilir kullanımını destekler.
Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri ve Kimya
Birleşmiş Milletler 2015'te "Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri"ni bir eylem çağrısı olarak kabul etmiş ve tespit ettiği 17 hedef için 2030'a kadar sürdürülebilir kalkınmayı sağlamak amacıyla bir yol haritası belirlemiştir. Bu hedeflerden 6, 7, 12, 13, 14 ve 15 numaralı hedefler kimya bilimiyle doğrudan ilişkilidir: 6. Hedef temiz su ve sanitasyona, suyun daha sürdürülebilir şekilde yönetilmesine; 7. Hedef erişilebilir ve temiz enerjiye; 12. Hedef sorumlu üretim ve tüketime, doğal kaynakların düzenli kullanımına ve atık üretiminin azaltılmasına; 13. Hedef iklim değişikliğinin etkilerini önlemeye yönelik iklim eylemine; 14. Hedef sudaki yaşamın ve doğal kaynakların korunmasına, sucul ekosistem ve biyoçeşitliliğin sürdürülmesine; 15. Hedef ise karasal yaşamın korunmasına, ormansızlaşma ve çölleşmenin engellenmesine ilişkindir. Kimya bilimi; ekolojik sürdürülebilirliğe ulaşmak için farklı yaklaşımların keşfedilmesine, bu yaklaşımların etkinliğinin değerlendirilmesine, önleyici tedbirlerin alınmasına ve çözüme yönelik potansiyelin artırılmasına yardımcı olur.
Nanoteknoloji Nedir?
Nanoteknoloji, maddeyi atomik ve moleküler seviyelerde kontrol edebilme bilimi olarak tanımlanır ve kimya biliminin katkısıyla gelişen bir malzeme bilimidir. Nanoboyutlardaki taneciklerin (nanoparçacık) teknolojik ürünlere entegrasyonu ekolojik sürdürülebilirliğe olanak sağlar; iklim değişikliğinden temiz suya, hayat kurtaran ilaçlardan temiz enerji kaynaklarına kadar birçok soruna çözümler sunar. Bu yönüyle nanoteknoloji, sürdürülebilir kalkınma hedeflerine ulaşmak için 21. yüzyılın temel teknolojisi olma yolunda ilerlemektedir. Nanoparçacıklar; bilişim, elektronik, tıp, tekstil, gıda, tarım, kozmetik gibi birçok sektörde daha kaliteli ve katma değeri yüksek malzemelerin geliştirilmesini sağlar.
Nanoteknolojinin Kullanım Alanlarından Örnekler
Ayna ve camların nanoparçacık içeren ince filmlerle kaplanması pürüzsüz bir ortam ve net bir görüntü sağlar. Antibakteriyel, antiviral, ıslanmayan, kir tutmayan, kendini temizleyen, renk değiştiren, sıcaklığa duyarlı ve elektronik tekstil ürünleri (nanofiberler) nanoteknolojik malzemeler arasında sayılabilir. Farklı dalga boylarında ışıma yaparak renk değiştiren kuantum nokta nanoparçacıklar tıpta görüntüleme amaçlı (nanoteşhis) kullanılır. Kanserli hücrelerin tespiti ve tedavisinde demir nanoparçacıkların kullanımı, akıllı ilaç tasarımıyla nanoparçacıklı ilaçların kanserli hücrelerin içine taşınması, kuantum noktalar veya altın nanoparçacıkların taşındıkları bölgenin dışarıdan ısı veya ışık uygulanarak etkisiz hâle getirilmesi gibi yöntemler (nanotedavi) mevcuttur. Damar içinde oksijen taşıyan, diş temizliği yapan ve tümörlü hücrelerin büyümesini engelleyen nanoparçacıklı robotlar (nanorobotlar) geliştirilmiştir. İlaçların sentetik nanoçip organlarda denenmesi için tasarlanmış sistemler de nanoteknolojik ürünler arasındadır; bu ürünler kimya laboratuvarını minik bir çipe dönüştürdüğünden bu tür laboratuvarlar nanolab olarak adlandırılır ve kimya deneylerinin nanoboyuttaki maddelerle, daha az kimyasal kullanarak ve kısa sürede yapılmasına olanak sağlar.
Nano Boyut Kavramı
Nanoteknoloji, 1-100 nanometre boyutlarındaki maddelerin üretilmesi, incelenmesi ve işlenmesi üzerine çalışmalar yapar. Nano (n), herhangi bir ölçünün milyarda biridir. Örneğin nanometre (nm), metrenin milyarda birine eşittir (1 nm = 1/1.000.000.000 m veya 1 nm = 10⁻⁹ m); başka bir ifadeyle bir metreye bir milyar nanometre sığar. Karşılaştırma için bazı gerçek boyutlar şöyledir: DNA molekülünün boyu 2-2,5 nm, insan saç telinin çapı yaklaşık 80.000 nm, grip virüsünün çapı 20 nm, en büyük atomun yarıçapı yaklaşık 0,25 nm, hücre zarı 12 nm, bir yaprak kâğıdın kalınlığı yaklaşık 100.000 nm ve görünür ışığın dalga boyu 400-700 nm'dir. Hidrojen atomunun çapı yaklaşık 0,1 nanometredir; bu durumda 1 nanometrelik bir uzunluğu elde edebilmek için ortalama on hidrojen atomunun yan yana dizilmesi gerekir. Bir su (H₂O) molekülünün genişliği ise yaklaşık 1/4 nanometredir.
Nanoboyutu Görüntülemek
Çıplak gözle genellikle 0,1 milimetre boyutundaki nesneler görülebilirken ışık mikroskoplarıyla yaklaşık 1 mikrometre (10⁻³ mm) boyutundaki nesneleri görmek mümkündür. Çıplak gözle veya ışık mikroskobuyla nanoboyuttaki nesneleri görmek mümkün değildir; bu durum nanoboyutlu nesnelerin ışığın dalga boyundan daha küçük olmasından kaynaklanır. Nanoboyuttaki nesneler taramalı elektron mikroskobu [SEM (Scanning Electron Microscope)] ile görüntülenebilir. SEM, bir malzemenin yüzeyini görüntülemek için elektronları kullanır; çözünürlük sınırı yaklaşık 0,05 nm'dir ve görüntüyü büyütme miktarı 5X ila 300.000X arasında değişebilir.
Nanoboyutta Değişen Özellikler
Maddenin nanoboyutlarına inildiğinde artan yüzey alanı/hacim oranı, aynı malzemenin makroboyuttaki özelliklerinden farklı özellikler göstermesine neden olur. Örneğin makroboyutta sarı renkte ve kimyasal tepkimelere karşı pasif olan altın, nanoboyutta kırmızı renge sahiptir ve kimyasal tepkimelere karşı aktif hâle gelir; bu yeni özellik sayesinde nanoboyuttaki altın, katalizör veya inhibitör olarak tepkimelerde kullanılabilir. Aynı şekilde grafit kırılgan bir yapıdayken benzer bir molekül geometrisine sahip olan grafen nanoparçacıklar oldukça esnek bir yapıya sahiptir. Nanoboyutta maddelerin mekanik, optik, elektriksel, manyetik ve reaktiflik gibi fiziksel ve kimyasal özellikleri değişir.
Aynı hacimdeki (1 cm³) maddelerin boyutu küçüldükçe yüzey alanı çarpıcı biçimde artar: 1 cm boyutundaki bir küpün yüzey alanı 6 cm² iken, 0,5 cm boyutunda 12 cm², 0,25 cm boyutunda 24 cm² ve 1 nm boyutuna indiğinde yaklaşık 60.000.000 cm²'ye ulaşır. Yüzey alanı/hacim oranı nanoparçacık boyutu küçüldükçe artar ve bu orandaki artış maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değişmesinde etkilidir. Daha büyük yüzey alanına sahip nanoboyuttaki bir maddenin başka bir madde içine karışması, çözünmesi veya onunla tepkimeye girmesi mikroboyuttaki hâline göre çok daha kolay olur; tepkimelerin gerçekleşmesi için nanoboyutta daha az enerjiye gereksinim duyulur ve daha az kimyasal madde kullanılır. Nanoparçacıkların kullanıldığı tepkimelerde daha az kimyasal atık ortaya çıkar, süreçte daha az su kullanılır ve daha az atık su oluşur.
Nanoparçacık Tanımı ve Metal Nanoparçacık Sentezi
Nanoparçacık (NP), 1-100 nm çapındaki atomik ya da moleküler parçacıklara denir. Nanoparçacıkların sahip olduğu üstün özellikler, boyutlarının küçültülmesinden kaynaklanır; bir parçacık nanoboyuta indirildiğinde hacim başına daha büyük bir yüzey alanı elde edilir.
Metal nanoparçacıklar laboratuvar ortamında kimyasal indirgenme yöntemiyle sentezlenebilir. Gümüş nanoparçacık (AgNP) eldesinde gümüş nitrat (AgNO₃) çözeltisi ısıtılır ve üzerine sodyum sitrat (Na₃C₆H₅O₇·2H₂O) çözeltisi damla damla eklenir; renksiz karışım açık sarı renge dönüştüğünde gümüş nanoparçacıklar oluşmuş olur. Bakır nanoparçacık (CuNP) eldesinde ise bakır(II) klorür (CuCl₂) çözeltisine askorbik asit (C₆H₈O₆) çözeltisi eklenir; karışımın beyaz rengi önce sarıya, sonra kahverengiye dönüştüğünde bakır nanoparçacıkların oluşumu gözlemlenir. Elde edilen gümüş nanoparçacıkların küresel yapıda ve yaklaşık 5 nm çapında olduğu kabul edildiğinde, bu nanoparçacığın kaç adet Ag atomu içerdiği, bir Ag atomunun yarıçapı (rAg = 144 pm = 0,144 nm) kullanılarak hesaplanabilir; bu tür hesaplamalar nanoparçacıkların atomik ölçekte ne kadar çok tanecik barındırdığını somut biçimde gösterir. Gümüş nanoparçacık, ne saf gümüş metalinden (makroboyutlu Ag) ne de gümüş iyonundan (Ag⁺) aynıdır; nanoboyuta özgü yüzey alanı/hacim oranı ve buna bağlı reaktiflik farkı taşır.