ÖĞRENCİ KILAVUZU DEMİR NANOPARÇACIKLARI VE FERROFLUİDLER

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRENCİ KILAVUZU DEMİR NANOPARÇACIKLARI VE FERROFLUİDLER DENEY ÖNCESİ OKUMA Demir, güç ve kuvveti temsil eden bir metal olarak bilinir. Muhtemelen bunu çocukluğunuzda gördüğünüz Ironman, Temel Reis, vs. gibi kahramanlar ile fark etmişsinizdir. Bunun için sizce neden demir seçilmiş? Bir soru ile başlayalım... Efes ve Torino da çekilmiş iki fotoğraf arasındaki en büyük fark nedir? (Şekil 1) Bu sorunun cevabı cevap veren kişiye göre değişir. Bazıları birinin tiyatro diğerinin ise stadyum olduğunu, bir başkası birinde koltukların taştan diğerinde plastikten olduğunu söyleyebilir. Ancak, herkes Torino nun hala yaşayan ve sakinlerinin koruduğu bir şehir olduğunu fark edecektir. Diğer yandan, Efes yüzyıllardır korunmadığından eski ve harabe bir şehirdir. Şekil 1: (a) EFES teki koltuklar(1) (b) JUVENTUS taki koltuklar(2) 1

2 Efes teki koltuklar rüzgâr ve yağmur ile aşınmıştır, üzerlerinde bitkiler çıkmış, böcekler yuva yapmıştır. Eğer Juventus taki stadyum uzun bir süre kendi haline bırakılırsa, birçok yönden Efes teki tiyatroya benzeyecektir. Bu durum odalarımız için de geçerlidir. Odamızı toplu tutmak için iş yapmak gerekir. Dağınıklığı toplamanız, eşyaları düzenlemeniz, tüm kıyafetlerinizi gardırobunuza koymanız, vs. gerekir. Yapacak ne çok iş var! (Şekil 2a) Şekil 2: (a) Zor iş, aferin... (3) (b) İş yok, bu ne dağınıklık.!(4) Ancak, odanızı toplamayı unutursanız, hiç iş yapılmamış olur ve yorulmazsınız odanızın nasıl görüneceğini hayal edebiliyor musunuz? (Şekil 2b), ama Canlılar düzeni nasıl sağlayabilir? Yiyerek, içerek, nefes alarak, vs. Bir organizmanın düzenini sürdürebilmesi için besinlerden alınan enerji gereklidir. Sistemler kararlı olabilmek için her zaman enerjilerini en aza indirmeye çalışır. Enerjiyi en aza indirmenin birçok yolu vardır. Enerjiyi en aza indirmenin bir yolu düzensizliği artırmaktır. En az enerji ile daha kararlı olabilmek için, doğada birçok metal mineraller halinde oksit bileşikleri içinde bulunur. Örneğin, demir (Fe) doğada metal halde bulunamaz. Yerkabuğunda demir maden cevheri olarak bulunur. Metalik demir ve demir nanoparçacıkları elde etmek için demir cevheri işlenir (Şekil 3). (a) (b) (c) (d) (5) Şekil 3: Demirin farklı halleri. (a)hematit (Fe2O3), (b)metalik Demir, (c)demir nanoparçacığı ve TEM görüntüsü. 2

3 Saf demir (26Fe) manyetik özelikleri olan yumuşak bir metaldir. Dünya kütlece toplam %32 oranında demir ve demir bileşikleri içermektedir. Dünyanın çekirdeği %85 demirden oluşur. Çekirdek büyük ölçüde demirden oluştuğu için, dünyanın manyetik alanını da etkiler. (Şekil 4a) Demir biyolojik sistemler için de önemli bir elementtir. Hemoglobin ve miyoglobindeki demir (Fe) atomları kanımızda oksijenin taşınmasına yardımcı olur. Bitki ve hayvanlarda da Fe hücre solunumu ve redoks reaksiyonlarında kullanılır. (Şekil 4b) Şekil-4: Makro ve mikro ölçeklerde demir; (a) Dünya(6), (b) Kan(7) Demirin bu önemli özellikleri süper kahraman adlarından Brüksel deki Atomium gibi eserlere kadar farklı kullanım alanlarıyla çekici bir element yapar (Şekil 5). Atomium binası Demir elementinden esinlenen bir çizim ile tasarlanarak Expo 1958 etkinliği için yapılmıştır ve halen kullanılmaktadır. Şekil 5: Brüksel deki Atomium binası(8) Etkinlik -1: Üç tane demir çivi, 3 cam kavanoz, su, tuz ve kabartma tozu(karbonat) alın. İlk olarak, yüksek derişimli tuzlu su ve karbonat çözeltileri hazırlayın. Kavanozlara su koyun (yaklaşık ml) ve birinde tuzu, diğerinde kabartma tozunu çözün, üçüncüye bir şey koymayın. Şimdi birinde su, birinde tuz çözeltisi, birinde kabartma tozu çözeltisi olan üç kavanozunuz var. Her bir kavanoza bir çivi koyun ve buharlaşmayı önlemek için kavanozların kapağını 3

4 sıkıca kapatın. Neler olduğunu görmek için 1 ya da 2 gün bekleyin. Eğer yeterince sabırlıysanız daha fazla bekleyebilirsiniz. Her gün çivileri ve çözelti miktarlarını kontrol etmeyi unutmayın. Değişiklikleri not edin. Şekil 6: Üç kavanoz ile yapılan kolay bir deney.(9) Etkinlik-2 Kızlar, bu etkinlik sadece sizin için! Parfümeriden manyetik oje alın ve eğlenceye başlayın! Ojede manyetik demir tozları bulunur ve bir mıknatıs yardımıyla tırnaklarınızda kullandığınız mıknatısın türüne göre farklı şekiller oluşturabilirsiniz (Şekil 7). Ben, kendi mıknatısımla yıldıza benzer şekiller elde ettim. İyi eğlenceler! Şekil 7 En çok bilinen demir ürünlerinden biri çelik tir. Saf demir işlemek için fazla yumuşak olduğundan, demiri sertleştirmek için karbon karıştırılır. Demir karbon ile karıştırıldığında (%2 den az oranda) oluşan alaşıma çelik denir. Çelik demirden daha serttir ve daha fazla dirence sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle sanayide birçok alanda kullanılır. Karbonun oranı %2 den fazlaysa bu alaşım pik demir adını alır ve aşırı kırılgan olduğundan işlenemez. İçinde demir bulunduğundan çelik de manyetik özelliklere sahiptir ve bu özellikler demire göre daha uzun sürelidir. Bu nedenle, çelik kalıcı mıknatısların yapımında da kullanılır. Çeliğin dezavantajı aynı demir gibi oksitlenebilir(paslanabilir) olmasıdır. Bu özelliği çeliğin birçok alanda kullanımını kısıtlamaktadır. Çeliğin oksitlenmesini engellemek için çeliğe %1030 oranında krom katılır ve paslanmaz çelik elde edilir. Paslanmaz çeliğin aşınmaya karşı 4

5 direnci çeliği her yerde kullanmak için ideal bir malzeme haline getirir. Mutfak araç gereçlerinde, donanımda, tıbbi cihazlarda, inşaat sektöründe, otomotiv ve havacılık sektöründe, gıda saklama depolarında, kasalarda, mücevherlerde, saatlerde, vs kullanılır (Şekil 8) Paslanmaz çelik çırpma teli (a) Paslanmaz çelik saat (b) Paslanmaz çelik tüpler (c) Şekil 8: Paslanmaz çelik ten yapılan farklı nesneler. (10) Demir Nanoparçacıkları Demire lazer uygulandığı zaman demir nanotozu (nanoparçacıkları) elde edilir. Nanoboyutu anlamak adlı deneyde belirtildiği gibi, nano ölçekteki parçacıklar (Şekil 9) yığın maddelere göre farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Demir tozu ya da demirin kendisi havadaki oksijen ile oksitlenir ve pas oluşturur. Bu reaksiyon alev oluşmadan gerçekleşen bir yavaş yanmadır. Aksi halde, neredeyse her saniye ortaya çıkan yangınları söndürmek bizler için gerçek bir kâbus olabilirdi. Demir nanoparçacıkları da oksitlenebilir. Ancak, yüzey alanları çok büyük olduğundan kimyasal aktiflikleri çok fazladır. Bu nedenle, demir nanoparçacıklarının oksitlenmesinde alev ve ısı ortaya çıkar. Bu yüzden, genellikle nakledilmeden önce demir nanoparçacıkları pasifleştirilir ve demir oksit nanoparçacıkları oluşturulur. Şekil 9: Demir nano ve mikro parçacıkları (11) Nanoparçacıklar manyetik özellikleri ve büyük yüzey alanları sayesinde sayısız alanda kullanılır. Demir nanoparçacıklarının bu özellikleri hem medikal görüntülemede hem de yeraltı suyundaki kirleten maddeleri temizlemede kullanılmasını sağlar. Etkinlik -3: Demir nanoparçacıkları videosunu seyredin. 5

6 Ferrofluidler Ferrofluidler (FF) uygun taşıyıcı sıvıların içinde yaklaşık 10 nm çapında küçük manyetik parçacıklardır. Tipik bir FF nin bileşiminde hacim olarak yaklaşık %5 oranında manyetik katılar, %10 yüzey aktif maddeler ve %85 taşıyıcı sıvı bulunmaktadır. Yüzey aktif maddeler genellikle oleik asit, sitrik asit ya da soya lesitini gibi organik çözeltilerdir. Yüzey aktif maddeler manyetit parçacıklarının toplaşmasını engeller. Taşıyıcı sıvı genellikle kerosendir (gaz yağı). (Şekil 10) Şekil 10: Ferrofluid ler (12) Ferrofluid lerin birçok kullanım alanı vardır. Sürtünmeyi azaltmak, elektronik cihazlarda güçlü mühürler oluşturmak, görüntüleme uygulamaları, ses performansları, tıbbi hedefleme, ısı transferi gibi birçok amaçla kullanılmaktadır. Tahmin edileceği gibi, aynı zamanda Sachiko Kodama nın Morpho Towers, Nicky Nada nın iç tasarım grubu CZFerro, metal grubu Isis in video kibi 20 minutes / 40 years ve rock grubu Pendulum un video klibi Watercolour da olduğu gibi sanatta da kullanılmaktadırlar. Etkinlik -4: Ferrofluid ler videosunu seyredin. 6

7 DEĞERLENDİRME A- Boşlukları uygun ifade ile doldurunuz. (5 dakika) 1- Doğal süreçlerde sistemler kararlı olmak için her zaman enerjilerini... çalışır. 2- En sık rastlanan demir ürünü... tir. 3- Demir tozu ya da demirin kendisi havanın oksijeni ile... ve... oluşturur. 4- Ferrofluidler uygun taşıyıcı sıvıların içinde yaklaşık.. nm çapında küçük... parçacıklardır. B- Aşağıdaki ifadelerin Doğru ya da Yanlış olduğunu belirtin. (5 dakika) ( ) 1- Ferrofluidlerdeki parçacıklar yalnız bir manyetik alanda tutunurlar ( ) 2- Çelikte demir bulunduğundan, çeliğin de manyetik özellikleri olduğu düşünülür. ( ) 3- Demir biyolojik sistemler için de önemli olan bir elementtir. ( ) 4. Demir nanoparçacıklarının oksitlenmesi alev ve ısı ile gerçekleşir. REFERENCES (1) (2) (3) (4) tips.php (5a) (5b) (5c-d) and (6) s-core- ironed -out/ (7) (8) (9) (10a) (10b) (10c) (11) (12) - IRONMAN - Metal Para 7