NANOTEKNOLOJĠ VE UYGULAMALARI

Transkript

1 NANOTEKNOLOJĠ VE UYGULAMALARI AraĢ. Gör. Yasemin BOZKAYA Anadolu Üniversitesi Ġleri Teknolojiler AraĢtırma Birimi

2 Nanoteknoloji Nedir? - 1 Nanometre ölçeğindeki malzemelerin tasarımı, üretimi, montajı, karakterizasyonu ve bu malzemelerden elde edilmiģ minyatür fonksiyonel sistemlerin uygulamalarını inceleyen ve hızla geliģen disiplinler arası araģtırma-geliģtirme faaliyetlerinin tümünü temsil etmektedir. Atomik ve moleküler boyutlardaki yapıların ticari bir amaca hizmet edebilecek Ģekilde düzenlenmesidir.

3 ATOM - 1 Atomlar, atomaltı parçacıklardan oluģur: Elektron: (-) yüklüdür Proton: (+) yüklüdür, kütleleri elektronunkinin yaklaşık 1839 katıdır. Nötron: yüksüzdür. Animasyon:

4 ATOM - 2 Bir atomun çapı yaklaģık olarak 1 Angstrom = 0,1 nm mertebesindedir.

5 ATOM - 3 Atomlar, boyutlarının görünür ıģığın dalga boyundan çok küçük olması sebebiyle optik mikroskoplarla görüntülenemezler. Atomik düzeyde çözünürlük elde edebilmek için elektron mikroskopları (geçirimli elektron mikroskobu), taramalı uç mikroskopları vb. kullanılmaktadır. Ġki veya daha fazla atom birbirine bağlanarak molekülleri oluģtururlar.

6 Nanoboyut Mikroboyut Makroboyut IWGN.Nanotechnology.Brochure.pdf

7 Nanoteknoloji Nedir? - 2 Moleküler boyutta sistemler üreterek daha büyük sistemleri kontrol etmek (Bottom-Up Approach) Ya da, Moleküler boyutta çalıģan çok yüksek oranda küçültülmüģ makinalar yaratma bilimi (Top-Down Approach)

8 NANOTEKNOLOJĠ 0,1-100 nm Atom diziliģini değiģtirerek ideal özelliklere sahip bir malzeme yaratma düģüncesi Nano-ölçekte sergilenen sihirli özellikler Nano boyutlarda ortaya çıkan yeni özellikleri makro boyutlardaki özelliklerden tahmin etmek mümkün değildir! CdSe nanoparçacıklar, morötesi ıģıkla aydınlatıldığında, boyutlarına bağlı olarak farklı renklerde ıģıma yaparlar.

9 Nanoteknolojinin Amaçları: Nanometre ölçekli yapıların analizi, Nanometre boyutunda yapıların fiziksel özelliklerinin anlaģılması, AlıĢılandan farklı ve üstün malzeme özellikleri/üretim süreçlerinin elde edilmesi Daha dayanıklı, daha hafif, daha hızlı yapılar Daha az malzeme ve enerji kullanımı

10 Toplumsal ve etik açıdan bakıģ, Çevre dostu toplum Sürekli gelişen toplum Güvenli ve güvenilir toplum Kaynakların etkin Ģekilde kullanılması Çevre kirliliğinin azaltılması ve yok edilmesi Enerji sıkıntısı probleminin ortadan kaldırılması Hastalıkların erken teģhisi

11 Nanoteknoloji Disiplinlerarası Bir Bilim Dalıdır Elektronik (Nano elektronik) Malzeme Bilimi (Hafif ve kuvvetli malzeme) Matematik (Modelleme) Fizik (Teorik Öngörü) NANOTEKNOLOJİ Bilgisayar (Kuantum bilgisayar) Eczacılık, Tıp (Yapay kemik) Biyoloji (Biyosensörler) Kimya (Seçici depolama)

12 MS 4. Yüzyılda Nanoteknolojik Uygulamalar MS 4. yy, Roma dönemine ait Lycurgus Kupası, British Museum Cam kupaya nano-boyutta ilave edilen katkılar (altın partikülleri) nedeniyle kupa farklı ıģık koģullları altında kırmızı veya yeģil renge dönüģmektedir.

13 Nanoteknolojinin GeliĢimi , Richard P. Feynman, There is Plenty of Room at the Bottom adlı konuşmasında herşeyi küçük bir ölçekte yönlendirme ve denetleme düşüncesini dile getirdi. (Feynman, bir sayfayı boyutunun 1/25.000'ine küçültecek ve bir elektron mikroskobuyla hâlâ okunabildiğini gösterecek ilk kişiye 1000 $ vermeyi vaat etti. Stanford'da Tom Newman adlı bir lisansüstü öğrencisi 1985'te bir elektron ışınını kullanarak, Charles Dickens'in İki Şehrin Hikâyesi romanının ilk sayfasını özgün boyutunun 1/25.000'i ölçeğinde bir topluiğne başına yazdı. Topluiğneyle ve çalışmasını destekleyici kanıtlarla birlikte bir paket hazırladı ve postayla Feynman'a gönderdi. Feynman iki hafta içinde bir çekle buna karşılık verdi).

14 Nanoteknolojinin GeliĢimi lerde geliģtirilen taramalı tünelleme mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu ile nano skalada ölçüm ve modelleme yapılması mümkün oldu. 1986, Binnig ve ark., Taramalı Tünelleme Mikroskobu, Nobel Fizik Ödülü! 90 ların baģı, Richard Smalley öncülüğündeki araģtırmacılar, fullerene moleküllerini keģfettiler, 1996 Nobel Kimya Ödülü yılında Sumio Iijima karbon nanotüpleri keģfetti. Nanoteknoloji kelimesini ilk kez Eric Drexler ortaya çıkarmıģtır!

15 Atomik Kuvvet Mikroskobu *

16 NANOTEKNOLOJĠ - GELECEĞĠN TEKNOLOJĠSĠ Bilim ve teknolojideki temel ilerlemeler her yüzyılda iki kere gerçekleģir ve büyük bir güç yaratılmasına yol açar.

17 2015 Dünya Pazarı Toplam nanoteknoloji pazarının 2015 yılında 1 trilyon doları aģacağı beklenmektedir. Milyar ABD Doları

18 En Çok Nanoteknoloji Patenti Alanlar No. Kurum Adet 1 L Oreal (cosmetics) International Business Machines(IBM) (technology) Regents of the University of California Eastman Kodak Company (photo images) 84 5 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 79 6 Henkel Kommanditgesellschaft (home/pers. care) 76 7 Japan S&T Corp. (government-sponsored agency) 76 8 BASF Aktiengesellschaft (chem/mat) 66 9 Allied Signal (chem/mat., now part of Honeywell) Micron Technology, Inc. (semiconductors) 62

19 Türkiye de Nanoteknoloji - Üniversiteler Anadolu Üniversitesi Ġleri Teknolojiler Araştırma Birimi Nanoteknoloji Alt Birimi öğretim yılında Nanoteknoloji Yüksek Lisans eğitimine başlandı. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Nanoteknoloji ve Nanobiyoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi Bilkent Ulusal Nanoteknoloji Merkezi Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Nanoteknoloji Merkezi

20 Türkiye de Nanoteknoloji ġirketlere Örnekler Yaşar Holding (Dyo): Solmaya, kirlenmeye dirençli, kendini temizleyen nanoteknolojiye sahip akıllı boya üretti. Arçelik: Eylül 2003 te koku filtreli hijyen uygulaması ile nanoteknoloji ürünü buzdolabını üretti ve Temmuz 2004 te yine nanoteknoloji ürünü olan tam koruma üçgenli multihijyen buzdolabını pazara sundular. Yeşim Tekstil: Kolay ütülenen, çabuk kuruyan ve leke tutmayan akıllı kumaşlar üretti. Zorlu Enerji: Evlerde elektriği kendinizin üretebilmesine imkan sağlayan bir aletin prototipini geliştirdi.

21 Ürünlerinde yenilik yaratmak için nanoteknoloji çalıģan Ģirketler Kaynak: Lux Research Reference Study The Nanotech Report

22 Günümüz nanoteknoloji uygulamalarında kaplamalar ve kompozit malzemeler ağırlıkta Kaynak: Lux Research Reference Study The Nanotech Report

23

24 Bayanlar için nano Kendi kendini temizleyen ve ışığı ayarlayan gözlükler Nanotüpler ile güçlendirilmiş raket Kırışıklık önleyici krem Leke tutmayan ve buruşmayan kumaş Daha iyi güneş kremi Eskimeyen ayakkabılar Koku gideren çoraplar Slayt - Kaynak: Prof. Dr. Ekmel Özbay, Bilkent Üniversitesi

25 Ve baylar için!! Su tutmayan kumaş Vücut ısıtıcı Akıllı yelek Yakıt katkıları Kendini temizleyen yüzeyler Nanosensörler Slayt - Kaynak: Prof. Dr. Ekmel Özbay, Bilkent Üniversitesi

26 Geko Nasıl Tutunur? Doğada Nano - 1 Her biri 200 nm kalınlığında milyonlarca kıl, yüzlerce uca ayrılıyor. Geko nun parmakları Parmaklardaki mikro-kıllar Mikro-kıllardaki nano-kıllar National Geographic Türkiye, Haziran 2006

27 Doğada Nano - 2 KELEBEK KANADI Bir kelebeğin kanatlarında yer alan renk çeģitliliği, kanat üzerinde bulunan doğal nanofotonik kristallerden kaynaklanır. Boya ve kozmetik uygulamaları, düz ekran göstergeler, lazerler, Internet ve bilgisayar hızlarının arttırılması

28 Doğada Nano - 3 LOTUS YAPRAĞI Süperhidrofobik yüzeyler

29 NANOTEKNOLOJĠ Nanoaygıtlar Nano Türk Bayrağı Nano Gitar Nano Araba Mikromakineler Nanomalzemeler Boyalar Kaplamalar Antibakteriyel Ürünler Akıllı KumaĢlar Benzin

30 NANO AYGITLAR

31 Dünyanın En Küçük Türk Bayrağı üretildi! Üniversiteler arası 'nanoteknoloji' yöntemiyle en küçük Türk bayrağı üretme yarıģı! 4 mikrometre büyüklüğünde Türk bayrağı, Bilkent Üniversitesi Silikon üzerine oksidasyon ile nanolitografi 1.5 mikrometrelik Türk bayrağı, Ġzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü 750 nanometre büyüklüğünde Türk bayrağı, Ġzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

32 Nano Gitar Nanoboyutlu Elektronik Aygıt Üretmek İçin Yeni Bir Teknoloji Dünyanın en küçük silikon mekanik aygıtları Cornell Üniversitesi nde üretildi. Dünyanın en küçük gitarı, 10 m uzunluğunda ( tek bir hücre boyutunda) ve 6 telin her biri 50 nm genişliğinde. 50 nm genişliğindeki tel 2 m lik boşlukta bir baştan diğer başa asılmış. Bu, silikon içerisinde asılmış bilinen en küçük yapıdır.

33 Nano Araba (4x3nm) James Tour ve ark., Rice Üniversitesi, Nature Bir altın plaka üzerinde bir elektrik alan uygulandığında ve plaka 200 C ye ısıtıldığında tekerleklerini C 60 moleküllerinin oluģturduğu arabanın hareket ettiği gözlenmiģ. Tekerleklerin gerçekten eksenleri etrafında döndüğü arabanın belli bir etki altında sadece ileri geri hareket edip yanlara hareket etmediklerini gözlemekle ispatlanmıģ. Nano araba, bir kargonun (moleküllerin, nanopartiküllerin) bir yerden alınıp baģka bir yere taģınması, nanomalzemelerin montajı ve moleküler elektronik gibi uygulamalarda kullanılabilir.

34 MĠKRO MAKĠNELER Moleküler seviyedeki bu tasarımlardan sol üstteki bir rulman, sağ üstteki basit bir pompa, sol alttaki moleküler birleştirme için hareket kontrolcüsü ve sağ alttaki ise mikron boyutlarında bir dişlidir.

35 NANO MALZEMELER

36 Nanoteknoloji ve Boya Klasik yöntemlerle bina temizliği Kendi kendini temizleyebilen bina yüzeyleri

37 Fotokatalitik Özellik Nedir? Doğal güneş ışığından alınan UV ışınları ile oksijen ve nano partiküllerden oluşan özel bir kaplama arasında oluşan kimyasal reaksiyon sonucunda yüzeydeki kirlerin parçalanıp yok edilmesidir.

38 Boya ve Kaplamalarda Nanoteknolojinin Avantajları Çizilmeye karģı direnç Kendi kendini temizleyebilme Korozyona direnç (30 yıl) Çok ince kaplamalarla bile çok uzun yıllar boyunca dayanıklılık Homojen bir ısı dağılımı sağlar GüneĢ enerjisini depolayarak bununla enerji sağlar Yanmayı geciktirme GeliĢtirilmiĢ mekaniksel, optik ve elektriksel özellikler UV ıģınlarına dayanıklılık Yüzey özelliklerini kontrol Antibakteriyel özellik

39 Su ve kir tutmayan kendi kendini temizleyen akıllı yüzeyler Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı boyalar ve yüzeyler Lotus (nilüfer) çiçeğinin yaprakları özel bir yüzey yapısı nedeniyle her zaman temiz ve kurudur. Bu nedenle nerdeyse hiç kir tutmaz, yağmur ve rüzgarla kiri ve toz rahatlıkla temizlenir. Nanoteknoloji var Nanoteknoloji yok

40 Akaryakıtta Nanoteknoloji Ağustos 2006, Petrol Ofisi Oxonico ġirketi Envirox TM (Dizel Katalizörü) 10 nanometre boyutunda seryum oksit partikülleri Yüksek yüzey alanı Yakıta çok az miktarda (5 ppm) ilave edilir Yanma prosesini modifiye eder, karbonun yanma sıcaklığını düģürür (karbonun yanması motorun temizlenmesini sağlar) Yakıt tüketimini azaltır (yakıtta %10 tasarruf sağlar) Zararlı egzoz emisyonlarını azaltır Motorda değiģiklik yapmaya gerek yok

41 Gören, duyan ve hisseden kumaģlar: Çok ince ve hafif fiberler üzerinde üretilen ıģık, ısı ve titreģim algılayıcıları, kumaģ halinde dokunabiliyor. Algılama elementleri kumaģ üzerinde her bölgeye dağıtıldığından, yüksek çözünürlük elde edilebiliyor. MIT* te geliştirilen bir yöntemle üretilen fiber tabanlı detektörler; ölümleri azaltacak askeri elbiselerin, hissedebilen robot uzuvlarının, deprem tespiti yapabilecek aygıtların tasarımında kullanılacak. *Dr. Mehmet Bayındır (Bilkent Üniversitesi) ve ark. nın bir çalışması

42 Akıllı üniforma: Düşman askeri lazer silahıyla nişan aldığında haber verecek, Enerjiye ihtiyacı olduğunda güneş pili gibi çalışacak, Zehirli biyolojik ve kimyasal gazları tespit edecek, Gece karanlığında kendi askeri tarafından tanınabilecek, Aynı zamanda çok hafif ve ucuz olacak. Bu akıllı elbiselerin yakın bir gelecekte kullanılmaya baģlanılması bekleniyor. Dr. Mehmet Bayındır, MIT

43 Nanotıp

44 KARBONUN ÇEġĠTLĠ YAPILARI - Grafit - - Elmas images/resh2.gif

45 KARBONUN ÇEġĠTLĠ YAPILARI Fullerene Dr.Richard Smalley Karbon Nanotüp Sumio Iijima, 1991 Benzersiz özellikler Tek boyutlu yapı

46 Karbon Nanotüpler (CNT) Karbon nanotüp, grafitin bal peteğini andıran atom düzleminin bir silindir etrafında sarılmış şekli olarak düşünülebilir.

47 KARBON NANOTÜPLER Karbon nanotüplerin çapı insan saç telinin çapından yaklaşık kat daha küçüktür! 2 nm 100 m Karbon nanotüplerin yalnızca 1 gramı bir futbol sahası büyüklüğünde bir alana yayılabiliyor!

48 KARBON NANOTÜPLERĠN ÖZELLĠKLERĠ Düğüm yapılabilecek kadar esnek malzemelerdir Isıl iletkenlikleri, en iyi ısıl iletken olan elmasın 2 katıdır En iyi yüksek mukavemetli çelik alaģımından 30 kat daha güçlüdür Bakır telden 1000 kat daha fazla elektrik taģıyabilir Yoğunluğu, en hafif malzemelerden olan aluminyumun yarısı kadardır

49 KARBON NANOTÜP UYGULAMA ALANLARI Kompozit malzemeler Karbon nanotüp düz ekran televizyonlar KurĢun geçirmeyen kumaģlar, nanotext denilen bakteri tutmayan kumaģlar leke ve Ortamda bulunan zehirli gazları algılayabilen gaz detektörü Hidrojen depolama ve yakıt hücresi Nanomıknatıs, yüksek yoğunluklu bilgi depolayan küçük ölçekli sabit disk ve deformasyon ölçmeye yönelik ölçü aletleri

50 Kalıcı bilgisayar belleği NANOELEKTRONİK Nanoboyutlu yapıların veri depolama kapasitesi mevcut hafıza aygıtlarından kat daha fazladır. Nanoelektronik diyotlar ve transistörlerden entegre devre Karbon nanotüp transistörler geleceğin ultra hızlı ve küçük bilgisayarlarının yapıtaşları!

51 Uzay Asansörü 3 mm çapındaki bir karbon nanotüp kablo 41 ton yükü deforme olmadan taşıyabiliyor! Dünyadan uzaya uzanacak olan yaklaģık km uzunluğunda bir kablo NASA bu projeyi hayata geçirmek için uygun bir teknoloji arayıģında

52 Nanoteknolojinin etkilemeyeceği bir endüstri kolunu düşünebilmek neredeyse imkansız. David Bishop, Bell Laboratuvarları, Lucent Technologies