nanoteknoloji - Anorganik.Org

NANOTEKNOLOJİ
(Dünya'nın Çehresini Değiştirecek Buluş)
Prof. Dr. Halis ÖLMEZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü
Samsun
Giriş
Günlük hayatta kullandığımız ürünler atomlardan yapılmıştır. Bu ürünlerin özellikleri
atomlarının düzenleniş şekline bağlıdır. Söz gelimi, karbon atomlarını uygun bir şekilde
yeniden düzenlersek kömürü elmasa dönüştürebiliriz. Bir taş parçasındaki atomları yeniden
düzenler ve bazı elementlerden çok az miktarlarda ilave edersek bilgisayar yongaları (çipleri)
elde edebiliriz. Eğer toprak, su ve havada bulunan atomları yeni baştan uygun bir şekilde
gruplandırabilirsek patates üretebiliriz.
Ancak günümüzün üretim metotları moleküler düzeyde oldukça kabadır ve tek tek
değil büyük yığınlar halinde atomları işleme sokar. Bu üretim, boks eldivenleri giyilmiş
ellerimizle Lego bloklarından istediğimiz bir modeli oluşturma çabamıza benzer. Evet, boks
eldivenli ellerimizle yığınlar halinde Lego parçalarını itebilir, bir araya getirebiliriz. Ama
arzuladığımız şekli veremeyiz. Gelecekte nanoteknoloji sayesinde boks eldivenlerini
çıkararak moleküler düzeyde doğanın temel yapı elemanlarını kolaylıkla, ucuz bir şekilde ve
genelde fizik kanunlarına bağlı kalarak bir araya getirebilecek ve olağandışı şeyler
üretebileceğiz.
Çağımıza yön veren teknolojileri iletişim teknolojisi, gen teknolojisi, uzay teknolojisi
ve nanoteknoloji olarak sıralayabiliriz. Bunlardan nanoteknolojiye bilgi çağının teknolojisi de
denilebilir. Dünyamızda teknoloji akıl almaz bir hızla ilerlemektedir. 20 sene önceye
baktığımızda insanlığın nasıl bir hızda ilerlediği kolaylıkla görülebilir. İlk bilgisayar bir oda
kadar büyüktü. Ondan sonra masaüstü bilgisayarlar büyük rağbet gördü. Ancak teknolojinin
hızla ilerlemesi onların da hantallığını gözler önüne serdi. Çünkü artık diz üstü bilgisayarlar
mevcuttu. Hatta “cep pc” diye tabir edilen ve avucumuzun içine sığabilen bilgisayarlar icat
edildi. 5-6 sene öncesine kadar piyasada doğru düzgün cep telefonu yokken şimdi akıl almaz
özelliklerle karşımıza çıkan cep telefonları var. İşte günlük hayatta kullandığımız birçok
elektronik eşya gittikçe küçülüyor. Peki, bu küçülme nereye kadar devam edecektir? Altında
yatan teknoloji nedir? Gelecekte bizleri bekleyen kolaylıklar ve tehlikeler nelerdir? İşte bütün
bu ve benzeri soruların cevabı nanoteknoloji olacak gibi gözükmektedir.
Nanoteknoloji Nedir?
Nanoteknoloji,
yapılabileceği
biyolojik
düşüncesinden
sistemlerden
doğmuştur.
esinlenilerek
İçinde
molekülsel
bulunduğumuz
makinelerin
doğada
sayısız
nanoteknolojik harikalar bulunmaktadır. Bilim adamları doğada yaratılmış olan bu nano
ölçekteki olguları ve yöntemleri öğrenmeye ve kendi kendini çoğaltabilen, denetleyebilen,
kontrol edebilen, onarabilen araçlar, malzemeler ve yapılar oluşturmaya çalışmaktadır. Örnek
olarak tüm canlıların hücrelerinde bulunan ve hemen her çeşit proteini üretebilen oldukça
küçük (sadece birkaç mikrometre küp) boyuttaki ribozomların, amino asitleri hassas çizgisel
bir sırayla arka arkaya dizerek proteinleri oluşturma yönteminin mühendislik yaklaşımıyla
incelenmesi ve çözümlenebilmesi sayesinde nanoteknolojik araştırmalarda önemli bir aşama
kaydedilebilecektir.
Nanoteknoloji, nanometre (nm, 10-9 m, metrenin milyarda biri, atomik büyüklüğün 10
katı) ölçeğindeki fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması, kontrolü ve bu
boyutlarda fonksiyonel olan malzemelerin, araçların ve sistemlerin geliştirilmesi ve üretimi
demektir. Nanoteknoloji en az bir boyutu 1-100 nm olan malzemeler, cihazlar ve sistemler ile
ilgilenir. Nano biriminin daha iyi anlaşılabilmesi için şöyle bir örnek verebiliriz. Bir saç teli
yaklaşık 80 bin nanometre genişliğindedir. Nanoteknoloji ilk hedef olarak, moleküler gelişimi
hedef alır. Amaç, fiziğin kurallarına aykırı düşmeden, doğanın yapı taşlarını nano boyuta
kadar küçültmek, nano ölçekte daha farklı ve üstün nitelikli mekanik, elektronik, ısıl, optik ve
kimyasal özelliklere sahip malzeme, alet, makine ve sistemler geliştirmektir.
Nanoteknolojinin Önemi
Nano sistemler, normal sistemlere kıyasla farklı fiziksel davranışlar sergilerler.
Nanobilim ve nanoteknolojinin ilgi alanına giren bu farklılıklar yaklaşık 10 seneden beri
dünya ülkelerinin sivil-askeri bilim ve teknoloji stratejilerini belirler hale gelmiştir. Nano
ölçek seviyesinde malzemelerin özellikleri makroskopik ölçekten tamamen farklı olup nano
ölçeğe yaklaştıkça birçok özel ve yararlı olay ve yeni özellikler ortaya çıkmaktadır. Örneğin,
momentum, enerji ve kütle iletim özellikleri artık sürekli değil kesiklidir. Benzer olarak,
optik, elektronik, manyetik ve kimyasal davranışlar klasik değil kuvantumludur.
Zamanımızda maddeyi nanometre seviyesinde işleyerek ve ortaya çıkan değişik özellikleri
kullanarak, yeni teknolojik nano ölçekte aygıtlar ve malzemeler yapmak mümkün olmuştur.
Bütün bu gelişmeler, 19. yüzyılda dünyayı yeniden şekillendiren sanayi devrimine eşdeğer bir
bilimsel ve teknolojik devrim başlatmıştır. Bu şekilde atom ve moleküller ile oynayarak tek
molekülden oluşan transistör ve elektronik aygıtlar gerçekleştirilmiştir ve dünyada birçok
grubun aktif çalışmaları ile geliştirilmektedir. Bütün bu çalışmalar ve gelişmeler elektronik,
kimya, fizik, malzeme bilimi, uzay ve hatta sağlık bilimlerini nano ölçekte buluşturmuştur.
Önümüzdeki birkaç onyıl içerisinde nanoteknoloji sayesinde mikroskop altında görülebilen
nano ölçekte süperbilgisayarlar geliştirilebilecek, insan vücudunun içinde hastalıklı dokuyu
bulup iyileştiren, ameliyat yapan nanorobotlar bulunabilecek, insan beyninin kapasitesi ek
nanohafızalarla güçlendirilebilecek, kirliliği önleyen nanoparçacıklar sayesinde fabrikalar
çevreyi çok daha az kirletecektir. Ulusal güvenliği ilgilendiren konularda nano malzeme
bilimi, yeni savunma sistemlerinin geliştirilmesinde ve haber alma / gizlilik konularına
yönelik çok küçük boyutlarda aygıtların yapılmasında kullanılacaktır. Birim ağırlık başına şu
andakinden 50 kat daha hafif ve çok daha dayanıklı malzemeler üretilebilecek ve bunların
sonucu olarak insanın günlük yaşamında kullandığı tekstil ürünleri gibi ürünler değişebileceği
gibi, uzay araştırmalarında ve havacılıkta yeni roket ve uçak tasarımlarının ortaya çıkması
mümkün olacaktır. Bilgisayar çağının başları olan 1950’lerden bu yana yaklaşık her 18 ayda
bir bilgisayar performansının iki katına çıktığı ve büyüklüğünün yarıya indiği bilinmektedir
(Moore kuralı). Bu kural 2020‘li yıllara kadar geçerliliğini koruyacak; bu yıllarda, üretilen
bilgisayarlar moleküler boyutlara kadar gelip dayanacaktır. Şu anda 40 milyon transistörlü bir
işlemci, 2015 yılında 5 milyar transistörden oluşacaktır. Bu şekilde bilgi işleme hızı oldukça
artarken enerji kullanımı da çok aza indirilebilecektir. Öyle görünmektedir ki, nanoteknoloji
önümüzdeki birkaç onyıl içinde uygarlığa damgasını vuracaktır. Nanobilim ve nanoteknoloji
çok çeşitli alanlarda hızla hayatımıza girmektedir. Bu etki sanayi, enerji, tıp ve bilgisayar
sektörlerinde devrim yapacak, hidrojen enerjisi üretimi de nanoteknoloji ile ağırlıklı olarak
gündeme gelecektir. Nanoteknoloji, bilişim ve haberleşmeden başlayarak, savunma sanayi,
uzay ve uçak teknolojileri ve hatta moleküler biyoloji ve gen mühendisliğine kadar geniş bir
alanı kucaklayacak, bu arada muhtemelen tarım ve sanayi üretiminde işsizlik yaratabilecek,
petrol, altın, elmas ve para değersiz hale gelebilecektir.
Nanoteknoloji ABD’de, yaklaşık 10 sene önce en öncelikli ve kritik alan olarak ilan
edilmiş ve ABD’nin en çok desteklenen programlarından biri olmuştur. ABD nanoteknolojiye
yılda 1,7 milyar dolar ayırarak dünya lideri olurken, Asya kökenli şirketler 1,4 milyar dolarla
ABD'nin peşinden gelmektedirler. Mevcut 88 bin 546 nanoteknoloji patentinin yaklaşık yüzde
64'ü ABD'ye aittir. ABD’yi yakından izleyen Japon hükümeti benzeri görülmemiş parasal
destekleri nanoteknoloji için seferber etmiştir. ABD ve Japonya'daki gelişmeleri kaygı ile
izleyen Avrupa Birliği de nanobilim ve nanoteknolojiyi öncelikli alan olarak ilan etmiştir.
Komşumuz Yunanistan’ın Girit adasında kurulu, 500 doktoralı araştırmacının çalıştığı
Heraklion Araştırma Merkezinde nanoteknoloji geliştirme üzerine yoğun araştırmalar
yapılmaktadır. İsrail de bu konuda çok hızlı davranarak çok sayıda tanınmış bilim adamını
nanocenter kuruluşlarında toplamıştır. Nanoteknolojiden gelecek 10-15 yıl içinde büyük ve
sürpriz çıktılar ve yeni pazarlar beklenmektedir. Nanoteknoloji, gelişmiş ülkelerle gelişmemiş
ülkeler arasındaki arayı kapanamayacak kadar ve katlanarak artıracak, nanoteknolojiye sahip
olan ülkelerin refah seviyesi, ulusal savunması ve ekonomisi daha güçlü bir konuma
gelecektir.
Nanoteknolojinin Kullanım Alanları
Mikro-Akışkan Bilimi: Akışkanlardan, ulaşım, enerji üretimi, vb makro düzeyde
yararlanmanın dışında, nanoteknolojik gelişmeler sayesinde mikro / nano düzeydeki akışkan
özelliklerine göre de yararlanılabilir. Gelecekte, akışkanların nano düzeydeki özelliklerine
bağlı olarak hastalıkların teşhisi, ilaç etkileşimlerinin belirlenmesi, DNA değişimi ve
işlenmesi, vücuda alınan gıda maddeleri ve sıvıların izlenmesi, bitki ve hayvanlarda sağlık
takibi, çevresel izleme ve denetleme v.b. uygulamalar mümkün olabilecektir.
BiyoMEM – BiyoNEM ve Biyoyongalar: Son yıllarda mikroelektromekanik (MEM)
sistemlerde oldukça önemli aşamalar kaydedilmiştir. Halihazırda, mikro düzeyde tamfonksiyonel pompalar, motorlar, duyargalar, v.b. elektromekanik sistemler kullanılabilmekte,
posta pulundan daha küçük boyuttaki biyoyongaların üretimi mümkün olabilmektedir.
Günümüzde bu sistemlerin mikro düzeyden nanoelektromekanik düzeye (NEM) geçişinde ve
bunların biyolojik sistemlerle bütünleştirilmesinde devrim niteliğinde bilimsel aşamalar
beklenmektedir.
Nükleik Asit Biyomühendisliği: DNA moleküllerinin yapı blokları olarak
kullanılması suretiyle nanokablolar ve nanomembranlar benzeri yapıların geliştirilmesi ve
özellikle tarım ve gıda mühendisliğinde sayısız uygulama alanlarının bulunacağı
öngörülmektedir.
Akıllı Taşıyıcı Sistemler: Moleküler ölçekte kodlanmış paketlerin kendilerine
tanımlanan adres uyarınca vücudun ilgili bölgesine ulaştırılmasına imkan verecek olan
sistemler sayesinde bitki ve hayvanlarda vitamin, antibiyotik, pestisit ve gübre kullanımında
tasarruf ve etkinlik artışının sağlanabileceği düşünülmektedir.
Nano-Biyoproses: Biyolojik malzemeden doğal biyolojik proseslerin kullanımıyla
istenilen birleşimlerin elde edilmesi olarak tanımlanan biyoproses, nanoteknoloji sayesinde
çok daha yüksek bir etkinlikte gerçekleştirilebilecektir. Moleküler duyargalar kullanımı,
biyolojik malzemedeki mikropların çok daha hızlı bir şekilde tanımlanabilmesini sağlayacak
olan kitler örnek olarak verilebilir.
Biyoanalitik Nanosensörler: Nano ölçekte duyargalar yardımıyla, tarım ve gıda
sistemlerindeki çok düşük miktarlarda olsa dahi kimyasal safsızlıkların, patojenlerin veya
virüs taneciklerinin tespit edilmesi mümkün olacaktır. Gıda maddelerinin ambalajlanmasında
kullanılacak bu sistemler sayesinde gıda ürünlerinin mikrobiyal bulaşmasının önceden tespiti
ve kendi kendini koruma mekanizmaları yardımıyla önlenmesi ve böylece gerek depolama
gerekse dağıtımda oldukça önemli kolaylıklar ve tasarruflar sağlanabilecektir.
Nanomalzeme: Gerek nanoteknoloji sayesinde yeni bir malzeme buluşuyla gerekse
doğada var olan bazı malzemelerin (örneğin topraktaki nanotanecikler – kil, zeolit, imogolit)
kullanılması suretiyle nano ölçekte farklı özellikler gösteren kompozit malzemelerin
kullanımı mümkün olabilecektir. Bunlar arasında saydamlık, azalan ağırlık, artan dayanım
özelliklerini gösteren malzemeler, giyenin sağlık ve fiziki durumu hakkında uyarılar veren
akıllı kumaşlar örnek olarak verilebilir. Tarımsal malzemenin faydalı ürünlere dönüştürülmesi
ve bu sayede çevrenin korunumu nanoteknolojinin gelişiminde önemli ve heyecan verici bir
potansiyel alan olarak görülmektedir. Günümüzde özellikle bitkisel yağların biyo-yakıtlara ve
endüstriyel
çözeltilere
dönüştürülebilmesinde
ihtiyaç
duyulacak
nano-katalizörlerin
geliştirilmesi ve tasarımı konusunda ciddi çalışmalar yapılmaktadır.
Sağlık: Nanoteknoloji ile özellikle kanser tedavisinde, kimyasal tedavi (kemoterapi)
ve radyoterapi yöntemleri kalkacak, vücuda zarar vermeden tedavi yoluna gidilebilecektir.
Vücuda enjekte edilen nanorobotlar, vücuda zararlı maddelerin yok edilmesi, zarar gören
organların tamiri gibi birçok konuda insan vücuduna yardımcı olabilir. Nanoteknolojideki
gelişmelerle insanoğlu tüm hastalıklara bağışıklık kazanabilir.
Nano Tüpler: Elektronik yongaların ve taşınır belleklerin yapımında kullanılmaya
başlanan nanoteknoloji, aslında normal koşullarda üretilen yongaların üzerine bir katman
olarak silikon nanokristallerin veya silikon benzeri polimerlerin yerleştirilmesi mantığına
dayanır. Yapılan araştırmalar, moleküler ölçekli elektronik uygulamaları ilk kez “parça”
düzeyinden çıkarıp, çalışabilen “devre” düzeyine taşımıştır. Ama 1 trilyon devreyi 1
santimetre kare alana sığdırıp bağlantılarını geliştirmek, çalışırken moleküler yapılarının
değişmesini önlemek, bütün bunları hızlı ve ucuz bir biçimde yapmak pek de kolay
görünmemektedir. Silikon çok küçük boyutlarda detektörler yapmak için ideal olmasına
rağmen nanoteknologları en çok heyecanlandıran başka bir malzeme daha vardır. Bu
malzeme, 1991'de bir Japon araştırmacı tarafından tesadüfen keşfedileni karbon
nanotüplerdir. Nanotüpler, içi boş silindir halinde sarılmış karbon atomu yapraklarıdır. Bu
yapraklar sıra dışı özelliklere sahiptir, çelikten 10 kat güçlü, 6 kez hafiftir. Köprü, uçak ve
uzay asansörü yapmaya çok uygundur. Tek sorun, laboratuvar kaynaklı en uzun nanotüpün 10
milimetre boyunda olmasıdır.
Türkiye ve Nanoteknoloji
Ülkemizde yakın zamanda birkaç üniversite ile Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü'nde
nanobilim ve nanoteknoloji ile ilgili çalışmalara başlanmıştır. Ağustos 2004'de TÜBİTAK
bünyesinde oluşturulan "Vizyon 2023 Projesi" kapsamında oluşturulan Nanoteknoloji Strateji
Grubu, "Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri" başlıklı çalışmasında, Cumhuriyetin
kurulmasının 100. yıldönümü olan 2023 yılına kadar Türkiye'nin izlemesi gereken
nanoteknoloji stratejisini belirleyerek ilgililere sunmuştur. Dileğimiz ve beklentimiz, yeterli
kaynak ayrılarak, belirlenen hedeflere varılması konusunda gereken adımların vakit
kaybedilmeksizin atılmasıdır. Ülkemiz, çağımızın insan yaşamını birkaç onyıl içinde büyük
ölçekte yeniden düzenleyecek olan bu kritik gelişmelere şu ana kadar seyirci kalmıştır. Ne
yazık ki Avrupa’da ulusal bir nanoteknoloji planı bulunmayan ülkeler sadece Malta ve
Türkiye'dir. Bu planın hazırlanması ve bunun gerektirdiği araştırma altyapısına verilecek
destekte geç kalınması halinde, Türkiye bu son fırsatı da kaçıracaktır. En önemli husus ise,
Türkiye bu fırsatı da kaçırırsa, nanoteknoloji ürünleri (aygıtlar, detektörler, hızlı bilgisayarlar,
uzay, uçak teknolojileri, tıp teknolojisi, gen terapi vb) için bu teknolojiye hükmeden ülkelere
alışık olduğumuzdan çok daha büyük bedeller ödemek zorunda kalacak, bu yüksek bedeli
ödemeyi göze alsa bile, ulusal savunmaya hızla girmekte olan nanoteknoloji ürünlerini satın
almak her zaman mümkün olmayabilecektir. Gelişmemiz, kalkınmamız, ulusal güvenliğimiz
ve refahımız için tek yol bu teknolojiye hazırlıklı olmak ve bu tür konularda hem temel
bilimler açısından hem de teknolojik olarak ön sıralarda yer almaktır.