iii Ön Söz .........................................................

İÇİNDEKİLER
Ön Söz ............................................................................................................. xiii
Teşekkür ......................................................................................................... xiv
Bölüm 1
NANOBİLİM VE NANOTEKNOLOJİ
1.1
Büyüklük Ölçekleri .................................................................................1
1.2
Küçük Sistemlerde Kuantum Mekaniği (Schrödinger’in Kedisi)
-Düzensiz Dalgalanmalar.......................................................................2
1.3
Nanoyapılarda Dalgalanmalar ve Kuantum Olayları .......................4
1.4
Küçüklük ve Ölçekleme Yasaları ..........................................................4
1.5
1.6
1.4.1
Mekanikte Ölçekleme ................................................................8
1.4.2
Elektromanyetizma ve Elektrikte Ölçekleme ....................... 11
1.4.3
Optikte Ölçeklendirme ............................................................ 13
1.4.4
Isı Aktarımında Ölçekleme ..................................................... 15
1.4.5
Akışkanlarda Ölçekleme ......................................................... 17
1.4.6
Biyolojide Ölçekleme ............................................................... 19
1.4.7
Ölçekleme Yasalarının Doğruluğu ........................................ 20
Nanoparçacıkların Özellikleri ............................................................. 20
1.5.1
Nanoparçacıkların Manyetik Davranışları ........................... 21
1.5.2
Nanoyapılı Malzemelerin Mekaniksel Özellikleri ............... 25
1.5.3
Nanoparçacıkların Kimyasal Özellikleri ............................... 26
1.5.4
Yaşayan Sistemlerle Etkileşen Nanoparçacıklar .................. 27
Nanoparçacıkların Bulunduğu Yerler ................................................ 28
1.6.1
Atmosferdeki Nanoparçacıklar .............................................. 28
1.6.2
Atmosferik Nanoparçacıklar ve Sağlık ................................. 29
iii
1.6.3 Nanoparçacıklar ve İklim ............................................................ 30
1.6.4
Denizde Aerosol (Asılı Parçacıklar) ....................................... 32
1.6.5
Uzayda Nanoparçacıklar......................................................... 32
ALIŞTIRMALAR ............................................................................................. 33
Bölüm 2
KUANTUM MEKANİĞİNİN KISA ÖZETİ
2.1
Küçük Sistemlerde Fizik ...................................................................... 36
2.1.1
Parçacıklar ve Dalgalar? .......................................................... 39
2.2
Elektronların Yerlerinin Belirlenmesi ve Heisenberg’in Belirsizlik
İlkesi ........................................................................................................ 40
2.3
Olasılık Genliği, Dalga Fonksiyonu ve Olasılık ................................ 42
2.4
Dalga Fonksiyonları .............................................................................. 44
2.5
Dirac Gösterimi ..................................................................................... 44
2.6
Pauli’nin Dışarlama İlkesi .................................................................... 45
2.7.1
Schrödinger Denklemi ............................................................. 46
2.7.2
Değişmez (Sabit) Potansiyelde Schrödinger Denkleminin
Çözümü ..................................................................................... 48
2.7.3
Potansiyel Engelinden Tünelleme ......................................... 49
2.7.4
Bir Boyutlu Potansiyel Kuyusunda Parçacık........................ 50
2.7.5
Serbest Parçacıkların Durumlarının Yoğunluğu ................. 52
2.7.6
Tünelleme Olayı ....................................................................... 53
2.8
Hidrojen Atomu .................................................................................... 55
2.9
Çok Elektronlu Atomlar ve Periyodik Tablo .................................... 63
2.10 Schrödinger Denkleminin Yaklaşık Çözüm Yöntemleri ................. 65
2.11 Kimyasal Bağlar..................................................................................... 68
2.12 Yoğunluk Fonksiyonel (Fonksiyonun Fonksiyonu) DFT Kuramı 78
ALIŞTIRMALAR ............................................................................................. 79
iv
Bölüm 3
İSTATİSTİK MEKANİK VE KİMYASAL HAREKETLER
3.1
Çok Parçacıklı Sistemler ....................................................................... 83
3.2
Sistemlerin Entropi ve Kinetikle Hareketi ......................................... 86
3.3
Etkileşmeyen Parçacıkların Klasik Olasılık Dağılımları .................. 89
3.4
Entropi ve Boltzmann Dağılımı .......................................................... 91
3.5
Eş Bölüşüm Teoremi ............................................................................. 92
3.6
Bölüşüm Fonksiyonu ............................................................................ 93
3.7
İdeal Bir Gazın Bölüşüm Fonksiyonu ................................................ 94
3.8
İdeal Bir Gazın Bölüşüm Fonksiyonundan Elde Edilen Serbest
Enerji, Basınç ve Entropi ...................................................................... 96
3.9
Kuantum Gazları ................................................................................... 97
3.10 Dalgalanmalar ..................................................................................... 100
3.11 Kimyasal Kinetik (Hareketler) .......................................................... 101
3.12 Asit - Baz Tepkimeleri ve Kimyasal Denge ..................................... 104
3.13 Nanotermodinamik ............................................................................ 107
3.14 Dalgalanmalar ve Kuantum Mekaniği ............................................. 108
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 110
Bölüm 4
NANO YAPILARI BELİRLEME AYGITLARI
4.1
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) ......................................... 112
4.2
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) ................................................ 116
4.2.1
4.3
Yüzey Kuvvetleri ve AKM .................................................... 118
Elektron Mikroskobu .......................................................................... 119
4.3.1 Taramalı Elektron (SEM) Mikroskobunun Çalışması ........... 121
4.3.2
Geçişli Elektron Mikroskobu (GEM) ................................... 126
4.3.3
Geçişli Elektron Mikroskobunun (GEM) Çalışması .......... 126
v
4.4
4.3.4
Mikroskoplar Üzerine Başka Bir Bakış(Optiksel Mikroskop,
Tarama Uçlu Mikroskoplar-STM, AKM) ............................ 128
4.3.5
Flüoresansın Temel Olduğu Nano-Ölçme Teknikleri ....... 134
Optiksel Cımbızlar .............................................................................. 136
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 138
Bölüm 5
BAŞTAN AŞAĞI VE DİPTEN BAŞA NANOYAPILAR
5.1
5.2
5.3
Baştan Aşağı Nano Yapılar ................................................................ 140
5.1.1
Baştan Aşağı Nano Yapı Fabrikaları .................................... 140
5.1.2
Fotolitografi (Işıkla Yazma) .................................................. 141
5.1.3
Elektron Demetli Basma Resmi (Litografi) ......................... 143
5.1.4
İnce Film Teknolojileri ........................................................... 144
5.1.5
Odaklanmış İyon Demeti Öğütmesi (OID) ......................... 146
5.1.6
Damga Teknolojisi.................................................................. 146
Dipten Başa Nanoyapılar ................................................................... 147
5.2.1
Dipten Başa Bileşim Yöntemlerinin Ortak Özellikleri ...... 147
5.2.2
Organik Bileştirmeler (Sentezler) ......................................... 148
5.2.3
Moleküller Arasında Zayıf Etkileşmeler ............................. 153
5.2.4
Kabarcıklar ve Miseller .......................................................... 157
5.2.5
Nanoteller ve Kuantum Noktaları ....................................... 159
DNA Nanoteknolojisi ......................................................................... 161
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 164
Bölüm 6
NANOELEKTRONİK
6.1
Temel Bilgiler ....................................................................................... 166
6.2
Elektronların Enerji Bandları ............................................................. 166
6.2.1
Enerji Dağılım Fonksiyonları ................................................ 171
vi
6.2.2
Durumların Yoğunluğu......................................................... 173
6.2.3
3B, 2B, 1B, 0B Yoğunluk Fonksiyonları ............................... 175
6.2.4
Bir İletkende Elektron Yoğunluğu ....................................... 178
6.2.5
Katının Atom Gibi Davranması ........................................... 179
6.2.6
Kuantum Sınırlaması (Hapsi) ............................................... 180
6.2.7
Kuantum Yapıları ve Yararları ............................................. 181
6.2.8
Sınırlama İçin Küçüklük Mertebesi Nedir? ........................ 182
6.2.9
İletkenlerin ve Yalıtkanların Özel Kuantum
Sınırlamaları (Hapsi) .............................................................. 184
6.3
Karbon Fullerenler ve Nanotüpler ................................................... 186
6.4
Düşük Boyutlu Sistemlerde Elektron Taşınması ............................ 190
6.5
6.4.1
İki Boyutlu Elektron Taşınması ............................................ 190
6.4.2
Bir Boyutta Elektron Taşınması ............................................ 191
6.4.3
Sıfır Boyutlu Elektron Taşınması ......................................... 192
Moleküler Elektronik Getirisi ............................................................ 195
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 197
Bölüm 7
MOLEKÜLER ELEKTRONİK
7.1
Elektronik Devre Bileşenleri Olarak Moleküller ............................ 200
7.2
Kimyasal Bağın Basit İşareti-Lewis Yapıları ................................... 201
7.3
Moleküler Yörüngeler İçin Değiştirme Yaklaşımı .......................... 204
7.4
Atom Yörüngemsilerinin Melezleşmesi .......................................... 206
7.5
Hückel Yöntemi ................................................................................... 207
7.6
Yerleşiksizlik Enerjisi .......................................................................... 208
7.7
Elektrokimyanın Rolü ........................................................................ 210
7.7.1
Eriyikte İyonlar ....................................................................... 210
7.7.2
Dengedeki Elektrotlar ve İyonlar ......................................... 211
vii
7.7.3
Moleküllerde Redoks Süreçleri ............................................ 212
7.7.4
Işığı Yüke Dönüştüren Molekülde Elektronların
Gittiği Yer ................................................................................ 213
7.8
Moleküller Arasında Elektron Aktarılması–Marcus Kuramı ....... 214
7.9
Zayıf Etkileşen Moleküler Katılarda Yük Taşınımı–Atlama
İletkenliği .............................................................................................. 217
7.10 Moleküler Katılarda Konsantrasyon Gradienti, Akımı Sürer....... 218
7.11 Bir Boyutlu İletkenler ve İletken Polimerler.................................... 219
7.12 Tek Molekül Elektroniği..................................................................... 220
7.13 Moleküler Elektroniğin Geleceği ...................................................... 221
7.14 Spintronik ............................................................................................. 222
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 223
Bölüm 8
ISI AKTARIMI
8.1
İletimle Isı Aktarımı ............................................................................ 226
8.1.1
Nano Yapılarda Sıcaklık İletkenliği ..................................... 229
8.1.1.1 Ortalama Serbest Yol ve Isı Taşıyıcılarının
Saçılması .................................................................... 229
8.1.1.2
Nanoyapılarda Enerji Dönüşümü
Termoelektrikler ........................................................ 231
8.1.1.3 Sıcaklık İletkenliğinin Kuantumu ............................... 233
8.2
Yayınımla Isı Aktarımı (Konveksiyon) ............................................ 235
8.3
Işınımla Isı Aktarımı ........................................................................... 236
8.3.1
Artan Işınımla Isı Aktarımı ve Aralığın Önemi ................. 236
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 239
viii
Bölüm 9
FOTONLARIN VE MADDELERİN NANOÖLÇEKLİ ETKİLEŞMELERİ
(NANOFOTONİK)
9.1
Fotonun Ortaya Konulması ............................................................... 241
9.2
Nanomaddelerin Fotonsal Özellikleri .............................................. 242
9.2.1
Fotonun Soğurulması, Yayınlanması ve Saçılması ............ 242
9.2.2
Fotonların Metallerden Geçmesi .......................................... 243
9.2.3
9.3
9.2.2.1
Geçirgenlik ve Serbest Elektron Plâzması.............. 244
9.2.2.2
Metal Parçacıkların Sönme Katsayısı...................... 246
9.2.2.3
Renkler, Altın ve Gümüş Parçacıklarının Rolü ..... 248
Yarı İletkenler.......................................................................... 249
9.2.3.1
Nanoölçekli Yarı İletkenlerin Band Aralığını
Ayarlama .................................................................... 250
9.2.3.2
Renkler ve Kuantum Noktalarının Yararı.............. 250
9.2.3.3
Kuantum Noktaları ile Güneşten Daha Çok Işık
Çekmek-Güneş Panelleri .......................................... 252
9.2.3.4
Kuantum Sınırlamaya Dayanan Lazer ................... 253
Yakın-Alan Işığı ................................................................................... 255
9.3.1
Optik Mikroskoplarda Sınırlar ............................................. 255
9.3.2
Yakın-Alan Optiksel Mikroskoplar ..................................... 256
9.4
Fotonlar ve Optiksel Cımbızlar .........................................................258
9.5
Fotonsal Örgüler ve Fotonların Band Aralığı ................................. 259
9.6
Boşluk ve Elektromanyetik alanın Sıfır-Noktası Enerji
Yoğunluğu............................................................................................ 260
9.7
Planck Ölçeği ve Uzunluğu ............................................................... 261
9.8
Casimir Kuvveti .................................................................................. 261
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 263
ix
Bölüm 10
NANOÖLÇEKLİ AKIŞKANLAR MEKANİĞİ VE
NANOBİYOTEKNOLOJİ
10.1 Kesiksizlik Kavramı ............................................................................ 265
10.1.1 Sıvı Yüzeyinde Kuvvetler (Basınç ve Makaslama) ............ 266
10.1.2 Akışkan Hareketi: Moleküler Dinamik Biçimi ................... 267
10.2 Reynold Sayısı ..................................................................................... 268
10.2.1 Yüzey Yükleri ve Elektriksel İkili Tabaka ........................... 269
10.2.2 Elektrokinetik Olaylar ........................................................... 271
10.2.3 Küçük Akışlarda Küçük Parçacıklar
(Moleküler Yayılma) .............................................................. 273
10.3 Nanoölçekte Sıvıların Akışı ............................................................... 275
10.3.1 Basınçla Sürülen Akış ............................................................ 275
10.3.2 Yerçekimi ile Sürülen Akış.................................................... 276
10.3.3 Elektroosmos .......................................................................... 276
10.4 Nanoakıcıların Uygulamaları ............................................................ 279
10.4.1 Biyomoleküllerin Çözümlenmesi: Ağrılı Doktor
Vizitlerine Son......................................................................... 279
10.4.2 Elektroosmotik Pompalar: Bilgisayar Yongalarının
Soğutulması............................................................................. 280
10.5 Nanobiyoteknoloji ............................................................................... 281
10.5.1 Nanoölçekte Biyolojik Biçimler ............................................ 281
10.5.2 Nanoölçekte Eylemsizlik ve Yerçekiminin Öneminin
Olmaması................................................................................. 282
10.5.3 Sıcaklıksal Rastgele Hareketler ............................................ 283
10.6 Hücrenin Makine Benzerliği.............................................................. 284
10.6.1 Şekerler, Enerji ve Yapı için Kullanılır ................................ 284
10.6.1 Glükoz ...................................................................................... 285
10.6.2 Yağ Asitleri Yapı ve Enerji İçin Kullanılır........................... 286
10.6.2.1Fosfolipidler .................................................................. 290
x
10.6.3 Nükleotidler, Bilgi Depolama ve Kimyasal Enerjinin
Taşınmasında Kullanılır ........................................................ 291
10.6.3.1Deoksiribonükleik Asit ............................................... 292
10.6.3.2AdenosinTrifosfat ........................................................ 294
10.6.4 Amino Asitler Protein Yapmakta Kullanılır ...................... 296
10.7 Adenosintrifosfat (ATF) Biyolojinin Benzinidir.............................. 300
10.8 Enzimlerin Kolaylaştırışı .................................................................... 300
ALIŞTIRMALAR ........................................................................................... 301
Bölüm 11
NANOTEKNOLOJİ ARAŞTIRMA VE UYGULAMALARI
11. 1 Çevre ve Enerji İçin Nanoteknoloji ................................................... 303
11.2 Nanoteknoloji Kullanarak Elde Edilen Güneş Gücü ..................... 305
11.3 Nanoteknoloji ve Giyim Eşyaları (Tekstil) ...................................... 306
11.3.1 Nanoteknoloji Tekstil Gelişmeleri ......................................... 308
11.3.2 Gösterişli Materyaller .............................................................. 308
11.3.3 Tekstil ve Elektronik ................................................................ 308
11.4 Nanobileşik Maddeler ........................................................................ 309
11.4.1 Gaz Engelleri ........................................................................... 309
11.4.2 Oksijen Engelleri..................................................................... 309
11.4.3 Gıda Paketleme ....................................................................... 310
11.4.4 Yakıt Tankları.......................................................................... 310
11.4.5 Filmler ...................................................................................... 310
11.4.6 Çevrenin Korunması .............................................................. 310
11.4.7 Yanabilirliğin Azaltılması ..................................................... 310
11.4.8 Killer ve Killerin Biraz Değiştirilmesi.................................. 310
11.4.9 Killere Dayanan Suni Nanobileşikler .................................. 311
11.4.10 Polimer Yerleştirme ............................................................... 311
xi
11.5 Nanobilgisayar (Öne Sürülen Nanobilgisayar Türleri) ................. 311
11.5.1 Nanoteknoloji ve Daha Küçük Oluş ................................... 312
11.5.2 Silisyumun geleceği (DNA bilgisayarları) ......................... 312
11.5.3 Kuantum Bilgisayarları ........................................................ 313
11.6 Uzay Çalışmalarında Nanoteknoloji ................................................ 313
11.6.1 Uzay Çalışmalarındaki Yararlar.......................................... 314
11.7 Nanoteknolojinin Haberleşme Uygulamaları ................................. 314
11.7.1 Optik Uygulamalar ................................................................ 315
11.7.2 Mikroelektromekanik Sistemler ............................................. 316
11.7.3 Mekanik Titreşkenler ............................................................. 316
11.7.4 Kuantum Noktası Lazeri ....................................................... 317
11.7.5 Fotonik Kristaller .................................................................... 318
11.7.6 İnce Film Optiği ...................................................................... 319
11.8 Nanoelektronik .................................................................................... 319
Alıştırmaların Çözümleri ............................................................................. 321
Bölüm 1 ................................................................................................. 321
Bölüm 2 ................................................................................................. 323
Bölüm 3 ................................................................................................. 325
Bölüm 4 ................................................................................................. 327
Bölüm 5 ................................................................................................. 328
Bölüm 6 ................................................................................................. 329
Bölüm 7 ................................................................................................. 330
Bölüm 8 ................................................................................................. 332
Bölüm 9 ................................................................................................. 333
Bölüm 10 ............................................................................................... 335
Ekler ................................................................................................................ 337
Kaynaklar ....................................................................................................... 347
Dizin ................................................................................................................ 348
xii