NANO MALZEMELER VE TEKNOLOJİLER

Transkript

1 Dersin Amacı NANO MALZEMELER VE TEKNOLOJİLER Prof. Dr. Hatem AKBULUT Prof. Dr. Şenol YILMAZ Yrd. Doç. Dr. M. Oğuz GÜLER Yeni çağın malzeme teknolojisi ve nano kavramının verilmesi, geleceğin nano boyuttaki cihaz, robot ve sistemlerinin tanıtılması amaçlanmıştır. Öğrenci hayal ve tasarım gücünün arttırılması, üstün özellikli ileri malzemelerin tanıtılması da hedeflemiştir

2 Nano Nedir? Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir ve küçük yaşlı adam veya cüce demektir. Günümüzde nano, teknik bir ölçü birimi olarak kullanılır. 1 Nanometre= 10-9 metre Metre(m) Milimetre(mm) = 10-3 m Mikrometre(mm) = 10-6 m Nanometre (nm) = 10-9 m Pikometre (pm) = m Femtometre(fm) = m Bir nanometre, metrenin milyarda birine denk gelir. 5 6 Bir insanın saç telinin kalınlığının yaklaşık 1/ i kadardır. Nano-BİLİM temel çalışma ilkesi, en küçük boyutları aşağı-yukarı 1 ile 100 nm arasında olan moleküller ve atomlardır. Nanoteknoloji insan oğlunun yeryüzünde var oluşunda gelecek için yeni bir kapı mıdır? Nano-TEKNOLOJİ molekül ve nano yapıların, nano boyuttaki cihazlara uygulanması

3

4 1 Nanometre Ne kadar Küçüktür?

5 Nano boyutta atom ve moleküllerin dönmesi ile elektromekanik enerji elde edilebilir. Bu sistemler Nano Elektromekanik Sistemlerdir(NEMS). Metal Oksit Yarı İletkenler (CMOS)-Complementary metal oxide semiconductor Entegre devreler(ic), Piller

6

7 Nano teknolojinin alanını tam olarak tanımlamak mümkün değildir. En büyük problemlerden biri Nano Bilimcilerin bilimi kavrayamayan kimselerle iletişim zorluğudur. Nano ölçekte hükümetler ve yatırımcılar neden çok önemli harcama yapmaktadır? Birçok bilim adamı için Nano Teknoloji yeni bir alan değildir. Elektron mikroskobu, taramalı prob mikroskoplar, ince filmler ve hatta insanın anatomik yapısı bir nano alandır. Ancak bazıları Nano teknolojiye ileride ulaşılacak fantastik buluşlar açısından bakmaktadır: İnsan damarlarında minik deniz altılar, birkaç atomdan oluşan çok küçük dişli ve çarklar, nanotüplerden yapılan uzay asansörleri ve uzayda koloniler oluşturma gibi

8 Nanoteknolojinin Amaçları Nanometre ölçekli yapıların analizi, Nanometre boyutunda yapıların fiziksel özelliklerinin anlaşılması, Alışılandan farklı ve üstün malzeme özellikleri/üretim süreçlerinin elde edilmesi, Daha dayanıklı, daha hafif, daha hızlı yapılar, Daha az malzeme ve enerji kullanımı, Toplumsal ve etik açıdan bakış. Nanotechnology is already making today s products: Lighter Stronger Faster Smaller More Durable

9 Nanotechnology spans many Areas Key Terms Information Technology Advance Materials & Textiles Energy & Environment Mechanical Biotechnology Engineering Eng. & / Robotics Transportation NANOTECHNOLOGY National Security & Defense Food and Aerospace Medicine Agriculture / Health 33 Nonotechnology Nanometer Nanotube Atom Atomic Level System Atomic Structure Fluence (Laser) Defects Dislocation Molecule Molecular Dynamics Computational Materials Science Newton s Laws of Motion 34 NANOTEKNOLOJİ Malzeme boyutlarının kabaca nanometre arasında kontrol edilmesinin sağlandığı yeni, üstün ve eşsiz uygulamaları anlama alanıdır. Nano bilim çerçevesinde nanoteknoloji, mühendislik ve teknolojinin görüntüleme, ölçme, modelleme ve malzeme manüplasyonunu alanlarında nano skalada ilgilenen teknolojidir

10 Nanoteknoloji Nedir? Atomik ve moleküler boyutlardaki yapıların ticari bir amaca hizmet edebilecek şekilde düzenlenmesidir. Nanometre ölçeğindeki malzemelerin tasarımı, üretimi, montajı, karakterizasyonu ve bu malzemelerden elde edilmiş minyatür fonksiyonel sistemlerin uygulamalarını inceleyen ve hızla gelişen disiplinler arası araştırma-geliştirme faaliyetlerinin tümünü temsil etmektedir

11 Nanoteknolojinin önemi, atomlar ve moleküler seviyesinde çalışarak gelismiş ve/veya tamamen yeni fiziksel kimyasal, biyolojik özelliklere sahip yapılar elde edilmesine imkan sağlamasından kaynaklanmaktadır. Teknik açıdan açıklamak gerekirse malzeme özellikleri ve cihazların çalısma prensipleri genel olarak 100 nm den büyük boyutları temel alarak yapılan varsayımların sonucunda ortaya çıkarılmıs geleneksel modelleme ve teorilere dayanmaktadır. Kritik uzunluklar 100 nm nin altına indiğinde ise geleneksel teori ve modeller ortaya çıkan özellikleri açıklamakta çoğu zaman yetersiz kalmaktadır Nonoteknoloji burada devreye girmektedir. Daha sağlam, daha kaliteli, daha uzun ömürlü ve daha ucuz, daha hafif gelistirme isteği birçok iş kolunda gözlenen eğilimlerdir. Minyatürizasyon olarak tanımlanabilecek bu eğilim birçok mühendislik çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Minyatürizasyonun üretimde daha az malzeme daha az enerji daha ucuz ve kolay nakliye daha çok fonksiyon ve kullanımda kolaylık olarak uygulamada kendini göstermektedir. Nano teknoloji, her türlü nesnenin yapıtası olan atomları, istenilen sekilde düzenleme şansına sahip olmayı ve her alanda, daha dayanıklı, daha hafif ve doğaya daha az zarar vererek üretim yapılmasını sağlayacak bir teknolojidir

12 NANO YAPI IBM firmasının ilk mektubu yazıldı

13 Nanoteknolojinin doğuşu İlk olarak Nanoteknoloji kelimesini Japonya Tokyo Bilim Üniversitesinden Professor Taniguchi söylemiş (1974) ve parçaların nano metre skalasında bir araya getirilmesinin mümkün olacağını belirtmiştir. National Nanotechnology Initiative yi kurdurdu Nanometre metrik bir uzunluk ölçüsü birimidir Yılında Eric Drexler, Hücre tamir makinesinden bahsetmiştir. Moleküller ve yapılar arası çalışarak, tamir makinalarının tüm hücreleri onaracağını ifade etmiştir. Hücreler arası çalışma ve organlar arası çalışma ile böylece tüm organların tamiri mümkün olabilecektir

14

15 Nano Geçmişi Nanomalzemeler yeni değildir. Çözünebilir altının M.Ö. 4 ve 5 yüzyıllarda Çin ve Mısır da kullanıldığı muhtemeldir. Lycurgus kupası M.S. 4. yüzyılda üretilmiştir yılında 20th Century Fox şirketi Fantastic Voyage adlı bir film yapmıştır. (Oyn. Raquel Welch) KONUSU Diplomat, beyin damarlarındaki kan pıhtılaşmasından dolayı ölümle burun buruna gelmiştir. Bilim adamları 10 m uzunluğundaki bir denizatlıyı küçültmüş (bir toplu iğne başı büyüklüğünde) ve şırınga ile damara vermişlerdir

16 Damarları gezen deniz altı ilaç vererek kan pıhtılaşmasının önüne geçmeye çalışmaktadır. «Today s science fiction is often tomorrow s science fact» Birçok çocuk filminde değişik nano boyut örnekleri mevcuttur. Hayal ve bilim kurgu ile geleceğin teknolojisinin temelleri atılmaktadır. 61 (Bu günün bilim kurgusu yarının bilimsel gerçeğidir.) Stephen Hawking İngiliz fizikçi, evrenbilimci, astronom, teorisyen ve yazar. 62 Çağımızda DNA ve virüsler ile birçok olumlu ve olumsuz faaliyet vardır. İnsan DNA kodları ve virüslerin ile transferi hayal edilmektedir. İnsanlık Fantastic Voyage filminde verilen Dünya anlayışına yaklaşmaktadır. Çok küçük makinaların dünyası gerçek olmaktadır: Çok küçük makinalar ile kanser tedavisi, kötü bakterilerin vücutta yok edilmesi, kolestrolün çözülmesi Nanoteknolojinin Modern Yaşamdaki Yeri ve Önemi Yapı malzemelerinin, tekstil ürünlerinin, çok fonksiyonlu elektronik ürünlerin, güvenli ve verimli ulaşım araçlarının dayanıklılığını ve daha ekonomik üretilmelerini, günlük yaşamımızda kullandığımız her türlü tüketim malzemelerin geliştirilmesi ve verimliliklerinin artırılması, israfın önlenmesi gibi yaşamımızın her anını etkileyecektir

17 Elektronikte nanoteknoloji Haberleşme Bilgisayar Optik Çevre için nanoteknoloji İzleme Etkiyi azaltma Temizleme 65 Enerji için nanoteknoloji Güneş: Daha ucuz, yüksek güç Taşınabilir güç: Tekrar doldurulabilen piller, yüksek kapasite Isıdan elektrik elde etmek: Yüksek güç Yalıtma: İnce kaplama, doldurma Hidrojen: Depolama, daha etkili kullanım 66 Sağlıkta nanoteknolojinin uygulanması Önleme Teşhis Tedavi Mikrop tutmayacak İlaç etkisinin kaplama Kişiye özel araştırılması ilaç/tedavi Filtreleme Sürekli izleme Parça- yerleştirme Gelişmeleri izleme Görüntüleme Yeni ilaç Değişik yollarla ilacın iletilmesi

18 2004 yılı itibariyle üretilen en gelişmiş çiplerde kullanılan yapıtaşı niteliğindeki (birçok transistörden oluşan) mantık geçitleri sadece 50 nanometre boyutunda idi. Yani bu boyutta elemanlar ile inşa edilen elektronik devrelerin üretim teknolojisi artık nanoteknoloji kapsamındadır. Ogündenbuyanadaepeygelişmiştir. Bunların küçülme, hızlanma ve ucuzlaması anlamındaki gelişim halen üstel bir hızla devam etmektedir Görünen o ki 2020 ler itibariyle elektronik üretimlerin çoğu ve mekanik üretimlerin de bir kısmı nanoteknoloji alanına girecektir. Son yıllarda bu teknolojinin gelmekte olan çağına ait gerek kavramsal çerçevenin hazırlanmasında ve gerekse de tasarım fikirlerinin ortaya çıkmasında çok önemli aşamalar katedilmiş durumdadır

19 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 DÜNYADA NANOTEKNOLOJİ YATIRIMLARI Bazı Ülkelerde Nano-teknolojiye Yönelik Araştırma ve Uygulamalar Rusya Boyutları atom ve moleküllerle karşılaştırılabilecek ölçüde elektronik devrelerin yapımı. Bir molekül büyüklüğünde nano aletlerin, nano robotların geliştirilmesi Tuğla ve briket örerek bir binanın yapımına benzer şekilde atom ve molekülleri tek, tek yakalayarak çeşitli maddelerin sentezlenmesi. Polonya Nanokristal tozlar Metallerden nano maddeler ve nano maddelerin elektronikte kullanılması Yumuşak, manyetik nano maddeler Şarj edilebilir Lityum pil ve akü üretimi için seramik nano maddeler sentezi

20 Çek Cumhuriyeti Nanokompozitler ve magnezyum alaşımları Nano kristal tozlar İncetabakave metalkaplama Nano kaplama yüzeyler ve yarı iletken nano yapılar Nanotüp üretimi Nükleik asitler, proteinler, polimerlerin yapıları ve tayini Süper manyetik toz nanoparçacıklar 77 Kore Kore Makina ve Malzeme Enstitüsü nanomekatronik, ileri derecede hassas işleme sistemleri (10 nanometre hassasiyetinde), yeni işlevlere yönelik nanomalzemeler ve akıllı malzemeler Kore Sınaî Teknoloji Enstitüsü de yine, nanoölçekte, ileri derecede hassas işleme teknolojisi, nano-şekillendirme teknolojisi, nano-yüzey işlemleri teknolojisi ve kristal yapıda olmayan nanomalzemeler için teknoloji geliştirme Kore Elektronik Teknolojisi Enstitüsü ise, nanomekatronik, nanoölçekte kuvantum aygıtlar, nanobiyoteknoloji, nanoteknoloji tabanlı enformasyon ve enerji depolama üzerinde çalışıyor. 78 ABD : Amerika Birleşik Devletleri nde Cornell, Harward, Pennsylvania, Stanford, California, North Carolina, Michigan, Minnesota, New Mexico, Texas, Washington ve Northwestern Üniversitelerinde bulunan nanoteknoloji merkezlerinde çalısmalar devam etmektedir. ABD nanoteknolojiden 2015 yılında yaklasık 3 trilyon dolar gelir elde etmeyi hedeflemektedir. NANOTEKNOLOJİDE ÖNCÜ ŞİRKETLER IBM; Nanoteknolojinin gelişmesinde en büyük katkıyı sağlayan STM (Scanning Tunneling Microscope) ve AFM yi(atomic Force Microscope) keşfetti. Nanoteknoloji AR-GE sine her yıl 5 milyar doların üstünde yatırım yapıyor. Şu anda karbon nanotüp transistörler, LCD ekranların yerine geçecek atomik ışınlı bilgisayar ekranları, manyetik kayıt sistemleri, nano yapılı saklama cihazlarıyla ilgili çalışmalar yapıyor

21 General Motors; Nanoteknoloji ile üretilmiş kompozit malzemeler içeren kamyonetleri pazara sundu. Bu nano kompozitler çok daha hafif ancak bir o kadar dayanıklı. GM, şu anda yakıt hücreleri, algılayıcılar ve seramik motorlar üzerine çalışmalar yapıyor. 81 Nanophase Technologies Corporation; Piyasaya sürdüğü nanogüneş kremiyle ismini duyurdu. Toz halde seramik ve metalik malzemeleri içeren Nanocrystalline malzemeler üretiyor. Nano-Tex; Dayanıklı, leke ve koku tutmayan kumaşlar üretiyor

22

23 Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) 21. yy ın askerleri için nanoteknolojiyi kullanarak süper üniformalar gelistirmeye çalısmaktadır. Bu üniformalar, kamuflajı desteklemek üzere renk değistirme, faz değistiren malzemeler ile kırık durumunda destek vazifesi görecek biçimde sıkılasma hatta yapay kas gelistirme ve enerji depolayabilme gibi spesifik özellikleresahip kumaslardan (morph fabrics) olusacaktır

24 93 94 TİCARETE DÖNÜŞTÜREN TÜRK ŞİRKETLERİ Normtest; ağırlıklı olarak fizik, elektrikelektronik, metalurji ve malzeme mühendisliği, kimya, biyoloji ve biyoteknoloji alanlarındaki nanoteknoloji ürünlerini Türkiye pazarına sunuyor. Bunlar ince filmler, malzemelerin optik özelliklerini ölçen spektrometreler

25 Sakarya Üniversitesi

26 Pek çok ülkede nanoteknoloji merkezleri ardı ardına açılmaktadırlar. Son yıllarda konferans ve sempozyumlarda sunulan, uluslar arası dergilerde yayımlanan makalelerin hızla artan sayısı, yapılan çalısmaların yoğunluğunu da bunu desteklemektedir

27