10/12/2015. Doğa kendisi nano yapıları üretmektedir. Doğanın kopyalanmasına çalışılmaktadır.

Transkript

1 DOĞADA NANO YAPıLAR VE HAREKETLER Dünya, insanın tüm yaşamını etkileyecek kadar büyük yeni bir teknolojik devrimin eşiğindedir. Nanoteknoloji adı verilen ve atomlar veya molekülleri tek tek alıp hassas şekilde birleştirerek her istenen ürünü elde etmek olarak tanımlayabileceğimiz bu teknolojinin temeli, doğadaki atomik dizilimi 1 taklit etme ilkesine dayanıyor Doğa kendisi nano yapıları üretmektedir. Doğanın kopyalanmasına çalışılmaktadır. Proteinler tarafından yapılan minik porlar mevcuttur (10-20 nm lik porlar). Bu porlar bir transistor gibi iyon akımını kontrol eder. 2 Kendilerine hayranlıkla baktıran ve aslında pigmente sahip olmayan bazı kelebek kanatlarının ve tavus kuşu tüylerinin nasıl olup da bu kadar güzel renklere sahip olduklarını biliyormusunuz? Hatta kimi canlılarda sabit bir renk olmayıp bakma yönünüzü değiştirdikçe renk değiştiren (yanar döner olan) yapılar bile var! 3 Bunlara yüksek çözünürlüklü mikroskoplarla baktığımızda değişik optik özelliklere sahip periyodik yapılar olduğuna ve tüm bu muhteşem renklerin fotonik kristaller sayesinde şahit oluruz. Işığın kontrolünü sağlayan bu yapıların laboratuvarlara taşınması ise farklı birçok uygulama için önemli kapılar aralayacaktır. Gelin doğadaki nanofotonik kristallere ve bunların insanoğlunun yaşamına olan 4 yansımalarına birlikte göz atalım. Bilim adamları, Avustralya Müzesi nde yer alan bazı kelebeklerin zaman içinde renklerinin solduğunu bazılarınınsa aradan geçen süreye rağmen hala canlı renklerini koruduğunu gözlemlemişlerdir. Fotonik yapılar, ilk Avustralya da keşfedilmiştir. 5 Bunun üzerine yapılan araştırmalarda ise kelebeklerdeki renklerin kaynağının yalnızca pigment olmadığı fotonik yapılar nedeniyle renklerin canlılığını koruduğu tespit edilmiştir. 6 1

2 Bu kelebeklerden biri de Morpho rhetenor türü kelebeklerdir. Çok uzak mesafeden dahi seçilebilen göz alıcı mavi renkleri, bilim adamlarını bu canlılar üzerinde incelemeler yapmaya yöneltmiştir. 7 Bilim adamları bu kelebeği detaylı olarak incelediklerinde mikro kristallerle karşılaşmışlardır. 8 Bu kelebeklerin kanatlarındaki çok katmanlı tabakalar ve boşluklar, çok hassas bir düzenle dizilerek fotonik kristal bir yapı oluşturmuştur. Bu fotonik kristal yapıysa, ışığın diğer bütün dalga boylarını geçirip maviyi yansıtarak kelebeklerin kanatlarının parlak mavi renkte görünmesine neden olmaktadır. Nanofotonik; boyutları nm arasında değişen nanoyapıların ışıkla etkileşimini inceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir. Bu boyutlarda tek bir atomun ya da molekülün tek bir fotonla etkileşimi söz konusudur. Nanofotonik kristaller, nanoplazmonik yapılar ve nano-metamalzemeler, nanofotoniğin günümüzde en yoğun biçimde çalışılan dallarıdır Mavi kelebek kanadından esinlenerek üretilen nano kristal fotonik yapı

3 Kelebek kanadı doğal fotonik olduğu için fotovoltaik güneş pillerinin gelişimine ilham vermektedir Boya ve kozmetik uygulamaları, düz ekran göstergeler, lazerler, Internet ve bilgisayar hızlarının arttırılması KERTENKELE AYAĞI Kertenkele ayağı, hayvanın duvarlara ve tavanlara yapışmasını sağlayan nano ölçüde tepe ve vadilere sahip bulunuyor. 17 Kertenkele ayak parmağındaki tüylerin büyütülmüş nano fiber yapısı Mühendisler kertenkele ayağını taklit ediyor. Mikro tüyler üzerinde nano tüyler üretilmekte ( nm) Polimer nano tüyler örneğin bir cam yüzeyine oldukça kuvvetli bağlanmaktadır. 3

4 Kertenkelelerin duvarlara ve tavanlara tırmanırken yer çekimine karşı duran milyonlarca minik tüycükten oluşan ayakları, bu canlının tavanlara yapışmasına imkan sağlar. LATIN ÇIÇEĞI YAPRAĞı Yüzey yapısından dolayı yaprak suyu itmektedir. Bilim adamları kertenkelenin bu özelliklerini taklit ederek çeşitli alanlarda kullanılabilecek yapışkanlı bantlar üretmişlerdir. 19 Süperhidrofobik yüzeyler 20 Asyadaki çeşitli dinlerde Lotus bitkisi saflığın sembolü olarak kabul edilmektedir. Bunun nedeni, lotus bitkilerinde bulunan kendi kendini temizleyebilme özelliği olarak ifade edilebilir (Lotus etkisi). 21 Yüzeyinde bulunan mikron ve nano seviyesindeki çukur ve tepecikli yapılar sayesinde bitkinin yaprakları kesinlikle ıslanmamakta ve su damlacıkları yaprağın toprağa doğru eğimli şekli sayesinde toprağa doğru kayarken üzerindeki çamuru, küçük böcekleri ve diğer kirlilikleri de beraberinde taşımaktadır. 22 Bu sayede Lotus bitkisi çamurlu nehirlerde ve göllerde yetişmesine rağmen yaprakları oldukça temizdir. 23 Nanobilimiyle uğraşan bilim adamları da, lotus yaprağının bu özelliğini taklit ederek boyaların, kumaşların ve diğer pekçok yüzeyin hem kuru kalmasını hem de kendi kendini temizleyebilme özelliğini kazanabilmesi için yeni yöntemler geliştirmektedirler. 24 4

5 Suyu Hiçsevmeyen (Süperhidrofobik)Yüzeyler Suyun yüzeye temas açısının büyüklüğü yüzeyin hidrofobik veya hidrofilik olmasının bir ölçütüdür. Bu bağlamda, temas açısı arttıkça yüzeyin suyu sevmeme özelliğide artmakta ve süperhidrofobik bir yüzey olma yönünde yol alınmaktadır. Temas açısını etkileyen iki önemli faktörden bir tanesi yüzey pürüzlülüğü diğeri ise yüzey 25 gerilimidir. Süperhidrofobik yüzeylere damlatılan su damlası 26 KÖPEKBALıĞı DERISI Köpekbalığı neden hızlı yüzer? Köpek balıkları üzerinde taramalı elektron mikroskobuyla yapılan incelemelerde, balığın derisinin şeritler içerdiği görülmüştür. Şeritler, dikey su girdapları veya su spiralleri oluşturarak suyu balığın vücuduna daha çok yapıştırır ve suyun yüzmeye karşı direncini azaltır. 27 Şeritlerin bu etkisi "Ribblet etkisi" olarak bilinir ve bu konu ile ilgili NASA'nın Langley Araştırma Merkezi'nde Ribblet deri araştırmaları yapılmaktadır. 28 Son on yıldır da bu etki mayolar üzerinde uygulanmaktadır. Yeni lifler ve yeni dokuma teknikleri ile yapılan mayolar, yüzücünün vücudunu sararak suya en az direnç gösterecek şekilde üretilmektedir. NANOMALZEME VE TEKNOLOJİLERİ HANGİ ALANDA KULLANILIR? Nitekim yapılan araştırmalar bu mayoların diğer mayo tiplerine oranla sürtünme direncini %8 azalttığını göstermiştir 29 Optoelektronik Elektronik Enerji depolama Yeni Malz. Geliştirme Yarı İletkenler 30 5

6 21. YY. DA TEMEL ARAŞTIRMA KONULARI Gelecek: NANO ÜRETIM NEDIR? BİLİŞİM TEKNOLOJİLERİ Milyarlarca atom ve nano partikülün manüplasyonu Biyosensör MALZEME BİLİMİ ENERJİ 2004 Şablonlar Yüksek hız Yüksek hacim Güvenirlilik BİYOTEKNOLOJİ /GENETİK ÇEVRE BİLİMLERİ Hafıza cihazı 31 Kitleler ve çalışanların bilgili olması Çevresel olarak dost prosesler 32 NANO ÜRETIM IÇIN KRITIK BARIYERLER Bariyer 1. Fiziksel olarak müdahale edemeden farklı nano elementler nasıl düzenlenir? Bariyer 2. Sürekli ve hızlı hızlı olarak (ekonomik olarak kabul gören) nano ölçülü 33 yapılar nasıl üretilir? Bariyer 3. Güvenirliliği nasıl test ederiz? Hataları nasıl etkin olarak tespit eder ve yok ederiz? Barrier 4. Nano ürün ve işlemler sosyolojik olarak kabul edilebilir yeni ekonomik, çevresel ve etik düzenlemelerin ve değerlerin ortaya çıkmasına ihtiyaç gösterir mi? 34 NANO TEKNOLOJİYE GEÇİŞ İÇİN YÖNTEMLER DEĞİŞMELİ KULLANILAN YÖNTEMLER BÜYÜK BOYUTTAN BAŞLANGIÇ ERİTME, ÖĞÜTME GİBİ YÖNTEMLERLE SON ÜRÜNE YADA PARÇALARINA ULAŞMA NANO YÖNTEM ATOM VE MOLEKÜLLERDEN BAŞLANGIÇ NANO BOYUTTAN MAKRO BOYUTTAKİ ÜRÜNLERE ULAŞMA KÖPRÜ YÖNTEMLER NANO VE MİKRO TEKNOLOJİLERİ EKLİYEREK YENİ PROSESLER VE MALZEMELER, GELİŞTİRİP, ÜRETMEK 35 Nanoteknolojinin İnsan Hayatına Etkileri Daha güvenilir ve hafif malzemeler Daha az yakıt yakan ve, çevreyi kirletmeyen toplu taşım araçları Daha verimli güneş pilleri Daha hızlı bilgisayarlar Daha çok bilginin depolanması Uzun ömürlü bateriler Daha sağlıklı yaşam Daha hassas algılayıcılar Daha duyarlı filtreler 6

7 Daha sağlam kumaşlar Mikrop tutmayan kaplamalar Yüksek kapasite ve yüksek veri hızı Hastalıkların doğru tedavisi Daha güçlü savunma sanayisi... Yenilenebilir temiz enerji kaynakları: Hidrojen Enerjisi Güneş Enerjisi NANOTEKNOLOJI NIÇIN ÖNEMLIDIR? Milyar $ Nanoteknoloji ile Yapılabilecekler 7

8 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 44 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 12 Ekim 2015 Pazartesi 44 Nanofotonik yöntemlerle üretilen 10 nm boyutlarında nanoelektronik devreler, gelecek kuşak bilgisayarların yapımında kullanılacaktır. Bilginin optik olarak nanofotonik kristaller aracılığıyla taşınması sağlanarak, bilgisayarların yüzlerce kat daha hızlı çalışması sağlanabilecektir. Aynı şekilde internet hızının da yüzlerce kat artması bu sayede gerçekleştirilecektir. 45 Günümüzde bir DVD nin bilgi saklama kapasitesini belirleyen, yazılan ışığın dalga boyudur. Nanoplazmonik yapılarda bu dalga boyunun 30 kat küçüldüğü düşünülürse, bu yapıların DVD yazma ve okumasında kullanılması, DVD lerin kapasitesini 1000 kat arttırabilecektir. 8

9 - Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı boyalar ve yüzeyler Nano-teknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları 1-Endüstriyel Alan: Otomotiv parçaları (mikro sensör, makine ve pompa kullanan otomobiller), nano boyutlu kaplamalar, chip ve CD üretimi. 2-Tıp ve Sağlık Alanı: Mikro-nano cerrahi ( özellikle göz ve beyin cerrahisi), Hücre, doku ve moleküllerdeki hasarların belirlenmesi, Ultraviyole korumalı kozmetik ürünler yapılıyor. 3-Bilimsel Araştırmalar: Yüzey karekterizasyonu ve modifikasyonu, Mikroorganizmaların taşınması, DNA-Modifikasyonu. 4-Malzeme Bilimi; Çok daha güçlü, hafif, kimyasal işlemlere ve sıcaklığa dayanıklı malzemelerin üretiminde kullanılıyor. Örneğin karbon nanotüplerden üretilmiş kumaşlar geliştirilmiştir. Bunlar kurşun geçirmediği için askeriyede kullanılıyor. Bu yolla üretilen ve nanotext denilen kumaşlar da leke ve bakteri tutmuyor ve çok sağlam oluyor. Radyasyon veya ışığa karşı kontrol edilebilir tepkiler veren malzemeler de geliştirildi. Nanoteknolojik ışıklandırma sistemleri ile dünya enerji ihtiyacının yüzde 10 oranında azalması bekleniyor. 5-Enerji; Nanoteknolojiyle üretilen yakıt hücreleri, gelişmiş piller, güneş hücreleri UYGULAMALAR Otomobil panellerinin rijitliği ve daha iyi boya yapışması % 5 kil ilavesi ile sağlanmıştır Plastiklerin aleve dayanımı artmıştır Tenis topu, lastik ve diğer ambalaj malzemelerinin dayanımı arttırılmıştır. clay platelets air polymer

10 NANOTEKNOLOJI: GERÇEK VEYA BILIM KURGU Kendini temizleyen cam Gerçek Güvenli güneş kremleri Gerçek Daha az kirletici yakıtlar Gerçek Bünye ve damar içinde Nanorobotlar Bilim kurgu 56 FLASH BELLEKLER Kuantum noktalar KUANTUM NOKTALARı (DOT) Bunlar nano boyutta, bir kaç yüz atomla bir kaç binatom büyüklüğünde (10 nm den az) yarı iletken kristal parçacıklardır lerde teorik olarak geliştirildiler ve 1980 lerin başında yapıldılar. 57 Küçüklüklerinden dolayı kuantum 58 tesirleri rol oynamaktadır. Yapay atom olarak da tarif edilen kuantum noktaları ışığı farklı dalga boylarında emer veya yansıtırlar ve dolayısıyla farklı renklerde görülürler. Kuantum noktaları genelde yarı iletkenlerden üretilirler. 59 Kuantum noktalarında boyut ve renk değişimi 60 10

11 Akıllı dizlik, Dizin yanlış fiziksel işlevlerini raporlar. İçinde özel nano sensörlerler barındırmaktadır MOORE KANUNU 1965 de Gordon Moore her bir entegre devrede transistor sayısının zamanla eksponansiyel olarak arttığını gözlemiştir. Gordon Moore co-founder of Intel

12 Dünya da Nano Teknolojiye Yatırım (Hükümetler) TÜRKİYE DE NANOTEKNOLOJİ Türkiye de nanoteknoloji araştırmalarının çoğu kuramsal ve bireysel düzeydedir. Avrupa Birliğinin 6. Çerçeve Programı sayesinde nanoteknoloji araştırmaları yeniden yapılanma ve ivme kazanmış bulunmaktadır. TÜBİTAK tarafından hazırlanan Vizyon2023 Programı na öncelikli alanlardan biri olarak alınmış bulunmaktadır. Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Projesi nanoteknolojiyi geliştirmek ve uzman yetiştirmek amacıyla hazırlanmıştır. 69 Nano Parti NANO Atom MALZEMELERİN KARARLILIĞI Kristal Partikül Birleşmesi Çekirdekleşme Büyüme Yüzey Atomları ve Kararlılık Nano Malzemelerin Kararsızlık Şartları Merkez Sayısı Atom Sayıları Tek Merkez Çift Merkez Üç Merkez Dört Merkez Beş Merkez Yedi Merkez Oran XX Merkez = 12 atom 1 atomu çevrelemiştir. xx: Yüzey atomları/toplam atom sayısı Termal ve kimyasal kararlılık Nano Malzemelerin deformasyon ve radyasyon altındaki davranışları Tane büyümesi, faz geçişleri, ayrışmalar Homojenizasyon Difüzyon prosesleri Kalıntı gerilmelerin gevşemesi Tane sınırı ve üçlü kavşak segregasyonları Nano Malzemelerin hemen hemen tümü (süpermoleküler yapılar dışında) denge durumundan uzaktırlar 12

13 Kararsızlığa yol Açan Nedenler; Arayüzey ve üçlü kavşakların çokluğu Alaşım elementleri ve ilavelerin düzensiz dağılımı Denge dışı fazların oluşumu Aşırı doymuş çözeltiler Kalıntı gerilmeler Normal üstü latis hataları Tane sınırı ve üçlü kavşak segregasyonu Tüm bu faktörler Gibbs serbest enerjisini arttırır. Nano malzeme hazırlarken tüm bu faktörler kararsızlığı etkiler (Toz metalurji teknikleri, sıvıdan kontrollü kristalizasyon,şiddetli plastik deformasyon çok ince film kaplama) Şekil 0.5 ve 1.0 nm tane sınırı kalınlığına sahip bir malzemede tane boyutu-tane sınırındaki atomların oranı ilişkisi Çok ince taneler veya çok fazla tane sınırı malzemeyi kararsız yapar. Daha kolay reaksiyon gerçekleşir Enerji dengesi kavramından hareketle; Birim kütle başına iç enerji ve entropideki değişim sıcaklıktan bağımsızdır. θ = 2T o σ /ρlr Şekil. Au için ergime noktası partikül boyutu ilişkisi θ T o σ ρ r L = Ergime noktasının geleneksel malzemelerden sapması = Bilinen (bulk yapı) geleneksel ergime noktası = Sıvı-katı arayüzey için yüzey gerilim katsayısı = Partikül yoğunluğu = Partikül yarıçapı = Gizli ısı Partiküllerin nano boyuta mekanik olarak indirgenmesinde, yüksek basınç neticesinde latis distirsiyonu olur (ana kafese zorlama ile atom sokulur ve latis genişler) Tane boyutunun çok ince olması yüzey alanını arttırır ve çok düşük sıcaklıkta bile sinterleşme gerçekleştirilebilir. Şekil. HMK, YMK ve HSP metallerde tane boyutuna bağlı olarak latiste oluşan deformasyon. Nano taneli bir metalin tane yapısı Video-1 Tanelerin sinterlenmesi-atomsal 13

14 Çok ince tane boyutu kolay reaksiyona yol açar. Örnek: korozyon veya dağlama Nano hareketliliğini Tane Malzemelerde; önlemek Tane için: sınırlarının Tercihli sınırlarını Büyüme kitleyici (yönlü büyüme) element ilavesi Birbirinden Latisi zorlamayan farklı kristal nano sistemlerini tane oluşturma kullanma (katalizör ile) büyüme)-süpermoleküler yapı Şekil. H 2 SO 4 de kısa süre dağlanan 100 µm tane boyutuna sahip Ni de tane sınırları Şekil. 773 K de Zr-Al alaşımında Fe miktarı kristal boyutu ilişkisi. 82 İngiliz Savunma Bakanlığı, geçen hafta yapılan denemelerde, test edilmekte olan gizli teknolojiyle bir aracın tamamen görünmez hale getirildiğini belirtti. Görünmezlik teknolojisi, yansıtma özelliklerinin azamiye çıkarılması için silikonla kaplanan bir tanka, etrafındaki manzaradan alınan görüntülerin yayınlanması için özel adapte edilmiş kamera ve projektörlerle sağlanıyor. Sonuç olarak çıplak gözle sadece tankın arkasındaki görüntü görülebiliyor Temmuz 2009 Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi, fantastik filmlerin vazgeçilmez nesnelerinden görünmez pelerini hayata geçirdi. Beyaz perdenin unutulmaz kahramanları Frodo ve Harry Potter'ın defalarca hayatını kurtaran pelerinin gerçeği nanoteknolojik kumaştan yapıldı

15 Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (NANOTAM) araştırmacıları, cisimleri belli frekanslarda görünmez kılan nanoteknoloji tabanlı malzeme geliştirdi. Türkiye'nin tek Descartes bilim ödülü sahibi olan Bilkent Üniversitesi NANOTAM Başkanı Prof. Dr. Ekmel Özbay'ın başkanlığını yürüttüğü projede doktora öğrencisi Atilla Özgür Çakmak tarafından geliştirilen görünmezlik pelerini teknolojisi, askeri araçların üzerine kaplanacak bir nanoteknoloji tabanlı malzeme sayesinde istenilen frekans bandında, tankların hatta havadaki uçakların görünmezliğine olanak sağlıyor. 85 Mayıs 29, 2011 Nanoteknoloji Tabanlı Kaplama ve Görünmezlik İsrail tabanlı haber sitesi YnetNews, İsraik menşei yle Nanoteknoloji firması olan Nanoflight firmasının savaş uçaklarını Radarların tespit etmesini önlemek için nano kaplama teknolojisini geliştirdiğini açıkladı.. Nanoflight firması öncelikle bu teknolojiyi deney füzelerini kaplayarak gerçekleştirdi ve bu füzeler radar tarafından algılanamadı. 86 NANO MALZEME ÜRETİM YÖNTEMLERİ Boyutu 100 nanometrenin (nm) altında olan nanopartiküller, hacimsel yapılı malzemelerden çok daha farklı ve üstün olarak kabul edilen özellikler sergilemektedirler. Nanoyapılı partiküllerin gösterdikleri üstün özellikler sayesinde elektrik, elektronik, biyomedikal, otomotiv ve kimya sektörleri başta olmak üzere birçok endüstriyel alanda kullanıma sahiptirler. 87 Nanopartiküllerin fizikokimyasal ve morfolojik özellikleri kullanılan başlangıç malzemesinin karakteristiğinden etkilenmesinden dolayı farklı üretim yöntemlerinin geliştirildiği görülmektedir. 88 Boyutları 100 nm ve altında kalan tozlar olarak tanımlanan nanopartiküller, nanoboyutlu malzemelerin dolayısıyla nanoteknolojinin temelini oluşturmaktadır. Bu partiküller diğer ticari malzemelerden genelde farklı ve üstün kabul edilen özellikler göstermektedir. Nanoyapılı malzemelerin ve cihazların tasarlanmasını, üretimini ve işlevsel olarak kullanımını kapsayan nanoteknoloji alanındaki yeni gelişmeler icin vazgeçilemez ilk adım nanopartikullerin üretimidir. 89 Nanoteknolojik malzemelerin çıkış noktasını oluşturan nanopartikuller geniş bir kimyasal aralık ve morfolojide üretilebilirler. Günümüzde çekirdek-kabuk, katkılı, sandviç, boşluklu, küresel, çubuk benzeri ve çok yüzlü gibi farklı morfolojilere sahip metal, metal alaşımı, seramik ve polimer esaslı veya bunların karışımından istenilen özelliklere sahip 90 nanopartikuller hazırlanabilir. 15

16 İKI TEMEL ÜRETIM FELSEFESI Yukarı => Aşağı Yekpare madde Mikro-/nano yapılar Aşağı => Yukarı Atomlar/moleküller Atomik yapılar Yukarıdan Aşağıya Hassas mühendislik Mikroelektronik/MEMS Litografi Depozisyon Dağlama İşleme Aşağıdan Yukarıya Kimyasal sentezler Molekül düzenleme SPM manüplasyonu Kendiliğinden örgütlenme Kendiliğinden kurulum Fonksiyonel Sistemeler: Yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yöntemlerin karışımı Bottom-up: Aşağıdan yukarıya yaklaşımı (küçükten büyüğe), moleküler nanoteknolojiyi belirtir ve organik veya inorganik yapıları, maddenin en temel birimi olan atomlardan başlayarak atom atom, molekül molekül inşa edilmesi yöntemini ifade eder. Aşağıdan yukarıya yaklaşımına dahil yöntemler ise; atomik veya moleküler boyuttaki yapıları kimyasal reaksiyonlar ile büyüterek partikül oluşumunun gerçekleştirilmesi olarak tanımlanmaktadır. 93 Nanokristalin metal ve alaşımlarının üretiminde kullanılan ilk yöntem olan gaz yoğunlaştırma tekniği aşağıdan yukarıya yaklaşımıyla çalışmaktadır. Kimyasal buhar kaplama, kimyasal buhar yoğunlaştırma, sol jel ve sprey piroliz yöntemleri de bu yaklaşımın en çok bilinen diğer üyeleridir Top-down: Yukarıdan aşağıya yaklaşımı (büyükten küçüğe), makineler ve benzeri mekanik ve kimyasal yöntemler kullanılarak nano yapıların fabrikasyonu ve imal edilmesi yöntemlerini ifade eder. 95 Partikül üretiminde kullanılan yöntemlerin yukarıda açıklanan ayrım dışında fiziksel veya kimyasal temelli olarak da iki ayrı sınıflandırılması mümkündür. Mekanik enerjinin kullanıldığı fiziksel özelliklerin ön plana çıktığı yöntemler fiziksel ve kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği yöntemler ise kimyasal temelli olarak kabul edilmektedir. Teknolojinin bu günkü seviyesi sebebi ile yapılan çalışmaların bir çoğu yukarıdan aşağıya (top-down) klasmanında 96 değerlendirilir. 16

17 NANO KRİSTAL VE PARTİKÜLLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ Nano partikül üretiminde kullanılan yaklaşımlar 97 Yaş Kimyasal Yöntemler Buhar Yöntemleri Mekanik Aşındırma- Mekanik Alaşımlama 98 Tanım: Bir boyutu 100 nm altında olan partiküller nanodur". Nanopartiküller çok farklı şekil ve boyutta olabilir A) YAŞ KİMYASAL YÖNTEMLER Nanopartiküller: Nanokürecikler, Nano çubuklar Nano plakalar olarak da anılır A-1) Sol-Jel Prosesi Bu proses çözelti formundan yola çıkılarak seramik Şekil. ve metal Sol-Jel oksit akım şeması tozlarının elde edilmesinde yıllardır kullanılmaktadır. Sol-jel yöntemiyle aynı zamanda kaplama ve fiber üretimi de yapılabilmektedir. Jel akım şeması 101 Metal alkoksit çözeltileri veya metal tuzları, nitratlar, hidroksitler ve oksitler gibi inorganik bileşiklerin belirli oranlarda su ve asitle birleştirilerek bir solüsyon meydana getirilmesi ve bu solüsyonun belirli sıcaklıklarda karıştırılması neticesinde solüsyon içerisinde birbirini izleyen bir dizi kimyasal reaksiyon ve taneciklerin sahip olduğu yüzey yüklerinin elektro kimyasal etkileşimleri ile bir ağ meydana gelmesi (jelleşme) ve bu ağın gitgide büyüyüp sistem içerisindeki bütün noktalara ulaşarak komple bir yapı (jel) meydana getirmesidir

18 Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlı bir süspansiyonudur. Jel ; Kolloidal parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı ve sıvı faz arasında bir ara fazdır. 103 Sol-Jel Tekniği Avantajları Yöntemin kimyasal yönü kontrol edilebilir. Hammaddelere kıyasla daha iyi homojenlik sağlanır. Toz boyutu mikron altında (NANO) elde edilir. Üretim için düşük sıcaklıklar yeterlidir. Buda; Enerji tasarrufu sağlar Uçma kayıplarını en aza indirir. Bulunduğu kapla reaksiyonu önler Yeni malzemeler ve özellikler elde etmek mümkündür. İnce film gibi özel ürünler yapılabilir. Hava kirliliğine neden olmaz. 104 Dezavantajları Bu yöntemle üretilen tozların maliyetleri yüksektir. Proses esnasında büzülme miktarı yüksektir. İnce gözenekler yapıda yer alabilir. Yapıda kalıntı hidroksit yer alabilir. Yapıda kalıntı karbon kalabilir. Organik çözeltiler sağlığa zararlıdır. İşlem süresi uzundur Şekil. Farklı kimyasallar kullanılarak sol-jel ile üretilen SiO 2 partikülleri

19 Sol Jel Yöntemin Teknik Özellikleri Sol-Jel Türleri Sol Jel prosesi ile üretilen toz ve kompozitler: Şekil. Sol jel yöntemi ile çözelti yapısı ve nano malzeme türü ilişkisi 109 Oksitli nanokompozitler, Fe 2 O 3 SiO 2, NiO SiO 2, 3Al 2 O 3 2SiO 2 Elementel metal içeren nano-ni/sio 2, Fe Al 2 O 3 SnO 2, Ti 2 O 5, PbTiO 3, (Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O Sol-Jel in Kullanım Alanları Seramik toz üretimi: Değişik amaçlarla çok çeşitli toz üretilmektedir. Miktarı çok az olan ikinci bir tozun ana tozun içinde homojen olarak dağıtılması Sol-Jel yöntemi ile mümkün olmaktadır. Düşük sıcaklıklarda sinterlenebilen BaTiO 3, ZnO, PZT, PbTiO 3 vb elektro seramik tozları, Kontrol edilebilir şekil ve boyutlarda tozlar (SiO 2, TiO 2, ZrO 2 ), Nükleer yakıt malzemeleri (UO 2 -ZrO 2 -ThO 2, UO 2 -ThO 2 ), Sentetik fazlar (ThSiO 4, CaLa 4 (SiO4) 3, NaBSi3O6) Aşındırıcılar (Al 2 O 3 ve katkılı Al 2 O 3 ) üretilebilirler. Kaplamalar: Sol-jel yönteminin uygulama alanı bulduğu ve en büyük potansiyele sahip olduğu uygulama alanıdır. Kaplama uygulamalarında solüsyonun kontrol edilmesi ile hem kompozisyon, hem de kaplama kalınlığının kontrolü kolayca yapılabilmektedir. Kaplamalar çok değişik amaçlı olabilmektedir; mekanik (SiO 2 ), optik (TiO 2 -SiO 2, InO 2 -SiO 2 ), kimyasal (SiO 2 ), elektriksel (BaTiO 3, PLZT) katalitik (Al 2 O 3, SiO 2 ) Fiberler: Bunların üretiminde bazı durumlarda tek üretim yöntemi Sol- Jel dir. SiO 2, SiO 2 -ZrO 2, ZrO 2, Al 2 O 3, Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 ve ayrıca optik fiberlerin üretiminde de sol-jel yöntemi kullanılır

20 Çöktürme tekniği bilinen inorganik tuzların çöktürme işlemidir. Çözeltiye çökmeyi sağlayacak bir madde katkısı veya sıcaklık yada basınç değiştirilerek çözünürlüğün azaltılması işlemleri uygulanır. Çökelme çekirdeklenme ve büyüme sonucu oluşur. Karıştırma hızı ve sıcaklık, tane büyüklüğünü etkileyen önemli faktörlerden olduğundan iyi kontrol edilmeleri gerekir. Bu teknikle yüksek saflıkta ve çok küçük tane boyutuna sahip toz elde etmek mümkündür A-2.1) Bileşik (Precursor) Yöntemi Üretim iki adımdan meydana gelir: 1. Aşırı doymuş bir sıvı çözelti oluşturulur. 2. Çözeltiden nano partiküller çekirdeklenir. Basit, ucuz ve kimyasal maddelerin kolay bulunabilmesi avantajları var. Genelde organik olmayan tuz bileşikleri 117 kullanılır. Bir metal klorürün yüksek sıcaklıkta su buharı ile tepkimesi sonucu metal oksit oluşur. Örnek: TiCl 4 ün hidrolizinden TiO 2 elde edilmesi. TiCl 4 + 2H 2 O TiO 2 + 4HCl TiO 2 elde etmek için çözeltiye çekirdekleştirici ilave edilir. (Çekirdekleştirici ile yaş kimyasal toz üretimi) 118 Bu yöntem ile mikron altı taneler (ör. TiO 2 v.b.) elde edilebilir. Fakat tozların üretimi ve toplanması için pahalı ve karmaşık toz toplama sistemleri gereklidir

21 YaşkimyasalteknikileMetalKarbürlerde üretilebilir. Yaşkimyasalteknikteultrasoniktitreşim vetermalayrışmailedenanotozlar üretilir. UltrasonikdalgalaryardımıylaArgonile aşırıdoymuşhalegetirilennaaucl-pdcl2 çözeltisindensoyalaşımlardanaupd (kaplamadaçokkullanılır)eldeedilir /12/ A-2.3 Hidrojen Redüksiyonu Yöntemi Şekil. Polyol sıcaklığı metodu ve ile partikül hazırlanan boyutu bazı ilişkisi. metallerde üretim 123 Gaz fazında redüksiyon ile metalik nanopartiküllerin üretimini gerçeklestiren bir yöntem olup, yapılan çalışmalar incelendiğinde özellikle demir grubu metal (Fe, Ni ve Co) nano partiküllerinin laboratuvar ölçekli sentezlenmesinde kullanıldığı görülmektedir. 124 Şekil. Hidrojen redüksiyon yöntemi Şekil den de görüldüğü gibi yöntem; partikül oluşumu, partikül toplanması ve gaz yıkama adımlarından oluşmaktadır. 125 Yöntemin ilk aşamasında kullanılan başlangıç çözeltisi buharlaştırılarak taşıyıcı ve/veya redükleyici bir gazla ön ısıtılmış bölgeye ve daha sonra redüksiyonun gerçekleşeceği daha sıcak bölgeye tasınarak partikül oluşumu gerçekleştirilmektedir. İşlem sırasında hidrojen gazı tek basına hem redükleyici hem de taşıyıcı olarak kullanılabileceği gibi bununla birlikte azot ve argon gibi inert gazlarda taşıyıcı olarak kullanılabilirler

22 Reaktanların konsantrasyonu, reaksiyon sıcaklığı, ön ısıtılmış bölgenin sıcaklığı ve buhar/partikülün fırın içerisinde kalış süresi partikül boyutu, boyut dağılımı ve kristalinetisini kontrol eden başlıca faktörlerdir. A-3) Mekano Kimyasal Yöntem Katı durumda yer değiştirmenin mekanik olarak aktif hale gelmesi (Örnek: bilyeli değirmen ile) ile yapılır Oksit ve klorür içeren kimyasal maddeler öğütme sırasında sisteme ilave edilir Isıl işlem yapılır (Karşılıklı yer değiştirme ile genelde nano partiküllü kompozit oluşur). A x C ve B = kimyasal maddeler (precursors), A = İstenen ürün, B y C = Reaksiyon ürünü (atık) Bu yöntemle: Oksit seramik tozları: (Örnek: Al 2 O 3, ZrO 2, ZnO, PBT (PbO, ZrO 2 ve TiO 2 karışımı) Oksit yarı iletken tozları: (Örnek: SnO 2 ) Benzer şekilde, vibratör değirmende Ar atmosferinde ZrO 2 elde edilir nm boyutta Saf Ni nano partikülleri: Na ilavesi ile; NiCl 2 nin öğütülmesi ile oluşur. Takiben saf su ile yıkama Metanol ile temizleme ve vakumda kurutma Reaksiyon aşağıdaki şekildedir