NANOKRİSTALLER ÖĞRENCİ KILAVUZU

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP DENEY ÖNCESİ OKUMA NANOKRİSTALLER ÖĞRENCİ KILAVUZU Boyutları 1 ila 100 nm arasında değişen parçacıklar nanoparçacık olarak adlandırılır. Nanoparçacıklar, atomik ya da moleküler büyüklükteki yapılar ile elle tutulabilen katı cisimler arasında boyuta sahip parçacıklardır. Elle tutulabilen katı cisimler boyutlarına bağımsız fiziksel özelliklere sahiptir. Küçük boyutlarda, parçacık boyutu ve şekli maddenin fiziksel özelliklerini etkiler. Örneğin; altın nanoparçacıkların boyutlarına bağlı olarak çözelti rengi değişir (Şekil 1). Altının bu özelliği nanoteknolojinin erken dönem uygulamalarına iyi bir örnektir. Altın nanoparçacıklar Orta Çağ da camı kırmızıya boyamak için kullanılmıştır. Benzer şekilde, gümüş nanoparçacıklar da camı sarı renge boyamak için kullanılmıştır (Şekil 2). Şekil-1:-Altın nanoparçacıkların çapı soğurulan ışığın dalga boyunu belirler. Şekildeki renkler bu etkiyi göstermektedir. (1) Bu nanoteknolojinin bilinçsiz kullanımı için bir örnektir. Nanoparçacıkların bir diğer önemli karakteristik özelliği de yüzey alanıdır. Çok küçük tanecikli maddeler genellikle hacimlerine oranla çok büyük yüzey alanına sahiptirler. Tanecik boyutu küçüldükçe yüzey alanı ve kimyasal aktiflik artar. Nanoparçacık üretiminde kullanılan iki temel yaklaşım vardır: Büyükten küçüğe (Top-down) ve küçükten büyüğe (bottom-up). Şekil-2: Nanoteknoloji kullanarak üretilmiş Ortaçağ vitray örneği. (2) Büyükten küçüğe (top-down) yaklaşımı temel olarak büyük boyutlu maddeleri nanoboyuta kadar parçalama yöntemidir. Küçükten büyüğe (bottom-up) yaklaşımı atom ya da molekülleri tek tek dizerek 1

2 maddeleri elde etmeyi amaçlayan yöntemdir. Bu zaman alıcı bir yöntemdir ve bilim insanları moleküler ölçekte bileşenleri küçükten büyüğe (bottom-up) yaklaşımı ile "kendini monte" (moleküler özbirleşme-self assemble) edecek şekilde kendiliğinden düzenli yapılar oluşturacak bir oluşumu arıyorlar. Büyükten küçüğe (top-down) yaklaşım; bir pastanın çok küçük parçalara kesilmesi ile ve küçükten büyüğe (bottom-up) yaklaşım kek yapmak için un, şeker ve kakao parçacıkları tek tek eklenmesi ile sembolize edilebilir. Nanomalzemeler üretirken, tüm parçacıkların, üretim sonrasında kendi küçük boyutlarını koruması olması arzu edilir. Ancak, bazı durumlarda nanomalzemelerin avantajlarının azalmasına sebep olan bazı durumlarda topaklanma meydana gelir. Bilim insanları parçacıkların birleşmesini önleyen yüzey kaplamalarının kullanımı gibi yöntemler kullanarak topaklanmayı önlemenin yollarını arıyorlar. Küçükten büyüğe (bottom-up) yaklaşıma bir örnek de çökelmedir. Çözünürlük, çözücü ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Genelde, katıların çözünürlüğü sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir. Kaynama noktasındaki çözücüde tamamen çözündüğünde ve oluşan çözelti soğumaya bırakıldığında belirli bir sıcaklıkta çökelme başlar. Önceleri çökelme gözle görülmez. Bunun sebebi, çökelen taneciklerin boyutu görünür ışığın dalga boyundan daha küçük olduğundan çökelti ile ışığın yeterince kırılmamasıdır. Çökeltinin boyutları görünür ışığın dalga boyuna ulaştığında çözelti dumanlı bir görünüm alır. Çökelme devam ettikçe, çökeltinin boyutu büyür ve bu çökelekler topaklanır. Sonunda, boyutları 0,1 mm ye ulaşır ve bunları farklı tanecikler olarak ayırt ederiz. Işık, cisimlerin üzerinden gözümüze yansır. Gözlerimiz ışığı odaklar ve bunları minik elektrik impulslarına çevirir. Elektrik impulsları ışık reseptörlerinde (çubuk ve koniler) geliştirilirler ve optik sinirler aracılığı ile gerçekte görme işleminin olduğu beyine gönderilirler. Görünür ışığın dalga boyu 400 ile 700nm arasında değişir ve mordan kırmızıya doğru değişen renk spektrumu vardır. İnsan gözü görünür bölgenin dışında kalan radyasyonları göremez. Çıplak gözle görülebilen en küçük boyut 0,1mm (1/ m) dir. Saç telinin ortalama kalınlığı 0,1mm dir. Herhangi bir optik mikroskop kullanarak görülebilen en küçük boyut görünür ışığın dalga boyundan büyük olduğundan 1 mikrometre civarındadır (1/ m) Nanokristallerin kuantum noktacıkları (quantum dots), anti-bakteriyel kaplama malzemesi, kendi kendini temizleyebilen kaplama malzemesi, ileri görüntüleme teknikleri ve kanser tedavi yöntemleri gibi çok geniş uygulama alanları bulunmaktadır. Etkinlik 1: Birkaç kürdan alın ve iki parçaya bölün. Parçaların her bir ucunu bala batırarak basit geometrik şekiller oluşturacak şekilde birleştirin. Sonra, her bir geometrik şekli ılık suya atın ve yavaşça karıştırın. Neler olduğunu gözlemleyin. 2

3 Etkinlik 2: cm3 büyüklüğünde bir kutu alınır. Kutu pinpon topları ile doldurulur. Kutu 15 dakika süresince baş aşağı çevirmeksizin çalkalanır. Sonra, kutu açılır, kutudan üst tabakalardaki toplar alınır ve top dizilimi gözlenir. Kristal yapının oluşumu anlamaya çalışılır. Bir küp kutu (40x40x40 cm) pinpon topları ile doldurulur (Şekil-3). Kutunun kaymamasını sağlayarak, periyodik olarak karşı kenarlardan sıra ile vurulur. Top yığınları boşlukları dolduracak şekilde yerleşir. Kutudaki topların seviyesi azalır. Kutuda toplar FCC (yüzey merkezli kübik yapı) ve HCP (sıkı paket) yapısı oluşturacak biçimde yerleşir. Kutunun içindeki topların yaklaşık olarak yarısı alınır ve şekila3a ve şekil-3b deki dizilimler görülebilir. Şekil 3: Pinpon topları ile doldurulmuş kutu. Şekil-3b Şekil 3a Kutunun boyutları arttırıldığında pinpon toplarının sayıları da arttırılmalıdır. Bu artış gerçeğe daha yakın modelleme yapmamızı sağlar ve paket yapısını daha uygun gözlemleyebilmemizi sağlar. Etkinlik-3: Bu etkinlik 1m çapında bir masa etrafında arkadaşlarınızla birlikte yapılmalıdır. Arkadaşınızın her birine 50 adet kürdan verin. Her biriniz aşağıdaki fotoğraftaki düzende kürdanları dizmelisiniz. Sizin bütün kürdanlarınız masanın ortasına gelene kadar dizmeye devam edin. Bu deneyi ilk olarak yalnız yapın, sonra üç arkadaşınız ile daha sonra on arkadaşınız ile yapın ve sınırsız süre verin. (oluşan yapı uzun erimli düzendedir (long rage order), kristal yapıdır. Yalnızca bir öğrenci tarafından oluşturulan yapı tek kristal, üç öğrenci 3

4 tarafından yapılan polikristal ve on öğrenci tarafından oluşturulan nanokristal olarak adlandırılır.) Bu etkinliği aynı arkadaşlarınızla ve aynı teknikle tekrar yapın, fakat; bu sefer kendiniz yalnızca 10saniye verin. İlk olarak masanın üstüne bütün kürdanları koyun ve sınırlı zamanda dizin. Ne olduğunu görün. (Oluşan yapı kısa erimli düzende (short range order), düzenli yapı olarak adlandırılır). Şekil 4a Atomlar birim hücrelerden oluşur ve bu hücrelerin belirli noktalarına yerleştir. Bu atomların bir kübik yapı oluşturduğunu farz edelim. Kübün üst yüzeyini pembe renk ile gösterelim. Kürdanlar bu düzlemlerin birbirine paralel kenarlarını gösterir (şekil 4a). Çözeltiler yavaşça soğutulursa, çökelen katılar uzun erimli düzendedir. Şekil-4b kürdanların dizilimi uzun erimli düzenin (kristal yapının) temsili gösterimidir. İlk adımda açık mavi renkle gösterilen kürdan (en üstte sol tarafta köşede) 1m çapında masanın üzerindedir. Daha sonra, şekilde görülen yeşil, kırmızı ve koyu mavi kürdanlar sırası ile yerleştirilir. Bu etkinliğe yeterince uzun zaman ayrılır. Şekil 4b Çözeltiler çok hızlı soğutulduğunda, çökelen katılar kısa erimli düzende olabilir. Şekil 5 te kürdanların dizilimi bu durumun temsili gösterimidir. 10 sn içinde kürdanları dizmeyi deneyin. Kürdan dizileri şekildekine benzeyecektir. Şekil 5 4

5 Üç öğrenci farklı kenarlardan başlayarak masanın üzerine kürdanları dizmeye başlar. Bir öğrencinin kürdanı diğer öğrencinin kürdanı ile çakıştığında o yöndeki ilerleme durdurulur, ancak dikey yöndeki dizilim diğer ile dizilim ile çakışıncaya kadar devam eder. Son oluşan yapı polikristal olarak adlandırılır. Bu etkinliği on öğrenci ile yapın ve nanokristal yapıya benzeyen bir yapı elde edersiniz. Şekil 6 DEĞERLENDİRME A. Boşlukları uygun ifadeler ile doldurun. (5dakika) 1- Çinko asetat çözeltide çözünürken.. ve iyonlarına ayrışır. 2- Çinko asetat tamamen çözündükten sonra çözelti. ve... olur. 3- İyonik bileşiklerin çözünürlüğü çözücünün cinsine ve bağlıdır. B. Aşağıdaki ifadeleri Doğru (D) ya da Yanlış (Y) olarak nitelendirin. (5dakika) ( ) 1- Çözelti soğudukça çinko asetatın çözünürlüğü azalır. İyonlar daha sonra kristal yapıyı oluşturacak şekilde birleşerek molekülleri oluştururlar. ( ) 2- Çözelti soğumaya bırakıldığında çözünmüş olan parçacıklar çökelmeye başlar. Çökelti 0,1 mm boyutuna eriştikten sonar yeniden çözünür. ( ) 3- Çökelme sonunda oluşan çökeleğin boyutu görünür ışığın dalga boyundan daha küçük olduğundan tanecikler ışığı kıramaz. KAYNAKLAR (1) (2) Image courtesy of NanoBioNet ev