NANO MALZEMELER VE TEKNOLOJİLER Nano Malzemelerin Geleceği Prof. Dr. Hatem AKBULUT Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER
Soft x-ray Ultraviolet Visible Infrared Microwave Ölçeklendirme 1 cm 10 mm 10-2 m Karınca ~ 5 mm 10-3 m 1,000,000 nanometre = 1 milimetre (mm) Vida Başlığı 1-2 mm Toz maytı 200 mm İnsan Saçı ~ 60-120 mm wide Kırmızı Kan Hücreleri (~7-8 mm) Uçucu Kül ~ 10-20 mm 0.1 mm 100 mm 0.01 mm 10 mm 10-6 m 10-4 m 10-5 m 1,000 nanometer = 1 mikrometer (mm) Mikro-teknoloji Geleneksel Uygulamalar ~10 nm çap 0.1 mm 100 nm 0.01 mm 10 nm 10-7 m 10-8 m Nanoteknoloji NANO DÜNYA ATP sentezi 10-9 m 1 nanometre (nm) DNA ~2-1/2 nm çap Silikon Atomları spacing 0.078 nm 0.1 nm 10-10 m
Boltzmann entropisi (düzensizlik): S Boltzmann k B ln Entropi Shannon entropisi (bilişim): HShannon i pilog2 Entropinin Genel Tanımı: S ln hata, safsıafsı, kesinsonuç,... p i Polimerizasyon Nanopartikül Boyut Dağılımı Kayıt etme DNA yenileme Kristal safiyeti 0 5 10 15 20 25 30 polimer çözeltisi yazı Hatasız işleme Kitap Baskısı Teleskop aynası Entegre devreler Dijital hesaplama (> 50)
İşlem S Değeri Dijital Hesaplama >50 mükemmellik Kristal Safiyeti ~28 Elektronik Bileşenler 21 DNA kopyalama 18-23 Geniş Teleskop aynası 20 biyo Kitap basımı 15 Polimerlerin işaretlenmesi 12 Hatasız Parça İşleme (CNC ile) 12 RNA yazılımı 9-11 El ile yazı 3-5 Mikropartikül boyut dağılımı 2-4 Nanopartikül boyut dağılımı ~2 Polimer çözeltileri 1-2 nano kaos
Yüzey Atomlarının Çevre ile Etkileşimi Işık Sıcaklık Isı Ses Soğuk Açık atmosferdeki enerjinin formları moleküler seviyedeki malzemeleri de etkileyebilir. Çevreden malzeme üzerine etkiyen enerji molekülün doğasını etkiler. Dolayısı ile yüzeyde molekül sayısının artması etkiyi dahada artırır.
Nano Teknoloji Hareketi İnsan saçının 1/1000i Tanım Malzemelerin sistematik olarak 1-100 nm aralığında işlenmesi Kullanışlı yeni mühendislik yapılarının, malzemelerinin yada cihazlarının üretimi Tarihçe - R. Feynman, 1959, There s plenty of room at the bottom - Kroto, Smalley, Curl, 1985, Fulerenin Sentezi, C60 - Sumio Iijima, 1991, karbon nanotüp sentezi Günümüzde Nanoteknoloji - >3000 şirket, 2500 endüstriyel ürün - yıllık 9.8 milyar $
Nanoteknolojinin gelişimi. Nanopartiküller - fuleren - metalik nanopartiküller (altın, gümüş, demir) - cam/seramik nanopartiküller (titania, silika) - kuantum dotlar (yarıiletken nanopartiküller) Nanotüpler, nanofiberler - karbon nanotüpler - nanofiberler (karbon, polimer, seramik) - nanoteller (metalik, yarıiletken) Nanolevhalar Nanolevhasal grafit, kil, silika, hidroksiapatit Nanoyapılı Yüzeyler Gelecekteki muhtemel kullanım alanları: piller, yakıt hücreleri, güneş panelleri, Kozmetik, yapısal malzemeler, protezler, ilaç taşınımı, Katalistler vs. Nanoyapılı Katılar
Nano malzemelerin sınıflandırılması Eş-Eksenli (partiküller) Fiberli (1 Boyutlu) Lamelli 2 Boyutlu metal Au nanopartiküller Fe magnetik nanopartiküller Katalistler (Pt,Zn,Cu,Ni,Co ) nanoteller kuantum dot Yarıiletken nanoteller, nanoçubuklar seramik nanophase powders for low-t sinterable coatings, parts, composite fillers, sorbents electrospun ceramic nanofibers for composite fillers nano-killer karbon fuleren, karbon karası karbon nanotüpler, nanofiberler nano-grafit polimer Biyoçözünebilir polimerler (medikal uygulamalar için) electrospun polimer nanofiberler diğerleri oligomerler (çitosan) Dallanmış bileşikler (dendrimerler) Yüzey aktif malzemeler ile birleşme (lipozomlar)
Doğadan esinlenilmiş kendi kendine oluşan 10sn de nm lik yapılar Potansiyel Uygulama Alanları MicroElektroMekanik (MEMS) cihazlar 10-100 mm genişlikte STM ucu ile 48 adet demir atomunun bakır bir yüzeye yerleştirilmesi Krater çapı 14 nm Karbon nanotüp ~1.3 nm çapında Karbon floren ~1 nm çapında
Kalp Pili Li-iyon piller Katalizörler Nanopartiküller GPS Hava yastığı İvme Sensörleri Fonksiyonel Malzemeler MEMS Kozmetik TiO 2 Nanopartiküller Cep telefonları SAW Yapıları Yapay kalça protezleri Biyouyumlu malzemeler Glasses and Coatings Optical Materials UV Filter Dijital Kamera CCD Lens Yapay Lenler Biyouyumlu Lensler Bisiklet Gövdesi Karbon fiberler Kompozit yapılar GMR Okuma Başlığı Manyetik çok katmanalı filmler LED Ekranlar Fotonik Malzemeler Akıllı Kredi Kartı Entegre Devreler Uydu saatleri Yarı iletken cihazlar
Geleceğe dair tasarımlar Gelişmiş malzeme özellikleri: yüksek mukavemet, kararlılık ve fonksiyonellik Görünmezlik elbisesi Elmas yapı Nano seviyede veri depolama Uzay asansörü: karbon nanotüp
UYGULAMALI Kalite Kontrol Emniyet Yönetim TEORİK Kimya, Biyoloji, Elektrik ve Araştırma Bulguları NANOTEKNOLOJİ SOSYAL Toplum Bilinci Kültürel Etkiler Ekonomik Etkiler ETİK Teknolojinin Yanlış Kullanımı Medikal
Tüketici Ürünleri Spor Alanında Boya/Kaplamalarda Giyim Elektrikli Ev Aletleri Kozmetik Gıda Takviyeleri Gıda Alanında
Fortune Dergisine Göre Dünyada ilk Yüzde Olan ve Nano teknoloji ürünleri üreten bazı firmalar General Motors Ford Motor General Electric IBM Hewlett-Packard Boeing Pfizer Proctor & Gamble Johnson & Johnson Dow Chemical Lockheed Martin Intel Delphi du Pont Motorola Honeywell Caterpiller Merck
Temel Teknoloji Endüstrileri Enerji Biyo/yaşam bilimleri Bilgisayar/Elektronik Savunma/Uzay/Otomotif Tüketici Ürünleri
Enerji Aydınlatma, Güç, & Verimlilik Piller boyut ve performans Katalitik Dönüştürücüler (geliştirilmiş performans & emisyon seviyeleri) Yakıt ekonomisi Aydınlatma Gelecek Uygulamaları Güneş Hidrojen Enerji transferi
Medikal Uygulamalar Yara tedavisi Antimikrobik etkilerin azaltılması için Ag- Esaslı nano kaplamalar Kemik tedavisi Ameliyat Gereçlerinin Kaplanması İlaç Taşınımı Katater / Stentler Filtrasyon Virüs Maske & nefes alma ekipmanları Hava Filtreleri
Medikal Uygulamalar FDA onaylı ürünler MRI görüntülemesi için Gadolinyum katalisti (Gd-DTPA Dimeglumine) MRI görüntülemesi için Demir oksit nanopartiküller (Feridex) Nanokristal teknoloji kullanan ürünler (Rapamune, Emend) Lipozomlar (Doxil, DaunoXome) Mikroemulsiyonlar (Cyclosporine) Albumin-bağlı nanopartiküller (Abraxane)
İlaç & Sağlık Gelecek Tasarımları İleri Teşhis yöntemleri Hedeflenmiş İlaç Taşınımı Implantlar Nanoküreler - nukleik asit & protein arama ultra hassas Magforce kanser tedavileri Nanospectra Biosciences, Inc. Kanser Tedavileri
Bilgisayar & Elektronik Firmaları Nantero Nanotüp esaslı/kalıcı NRAMler Luxtera DRAM, SRAM & flash bellekler Optik alıcılar Tek bir silikon devre üzerinde Bakır bağlantı elemanları yerine daha ucuz ürünlerin geliştirilmesi
Askeri/Savunma/Taşıma Güç: taşınabilir/yüksek kapasiteli Yakıt hücreleri Koruyucu ekipmanlar Kaplamalar Kompozitler İletişim Sensörler/Arama&Bulma Patlayıcılar Biyolojik Silahlar
Gıda Sektöründe Diet Ürünleri Geliştirilmiş tat, koku, renk ve içerik Mikrobik etkilere dayanıklı ve kolay paketlenebilir Mikropların üremesini ve yiyeceğe gelmesini engelleyen Mikrop öldüren Antimikrobik bileşenler içeren Potansiyel bir tehlike anında üretici ve tüketiciyi uyaran Kirlilik seviyesini bildirebilen
İçme Suyu Uygulamaları Günümüzde yaklaşık olarak 1 milyar insan güvenilir su kaynaklarına ulaşmada problem yaşamaktadır Yaklaşık 3,4 milyon insan su hastalıklarına bağlı olarak ölmektedir. Su içme yada filtreme konusunda nanoteknoloji önemli fırsatlar sunmaktadır. Su arıtmada kullanılan ürünlere örnek olarak karbon nanotüpler, nano ölçekli membranlar, nano killer, nano ölçekli metaller ve nanofiberler verilebilir. Civa, arsenik, kurşun ve perklorat gibi ağır metallerin ayrıştırılmasında nano metaller önemli bir yere sahiptir.
Güneş Enerjisi: Önemli bir Fırsat Günümüzdeki Güneş Panelleri: Malzeme: Silikon Verim: 10%-20% Maliyet: $5/W Geri Ödeme Süresi (CA): 50 Years Kullanım Ömrü: 25 Years Si Olmayan $1/W lık enerji kabul edilebilir Silikon Wafer Güneş Hücresi Solar Modül Ingot 50% Maliyet 25% Maliyet 25% Maliyet
Plastik Güneş Panelleri Maliyeti geleneksel yakıtlara yakıt olan ilk alternatif enerji üretimi Genel Özellikleri: Esnek Çekici ve dekoratif Şeffaft Düşük enerji, Düşük sıcaklık Düşük maliyetli üretim! Boyut ve şekilde bağımsız Çevre dostu.
Plastik Güneş Panelleri için 3 Temel Kullanım Alanı Binalara Entegre Edilmiş Paneller Camlar Kiremit ve tuğla üzerine Duvarlara Akıllı Ürünler Çantalar Halılar Çadırlar Taşınabilir Elektronikler Cep Telefonları Dijital Kameralar MP3 Oynatıcılar