Nanopartiküller: Uygulamalar, Fırsatlar ve Riskler Mikron Dünyasından Genel bir Bakış Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 15 Mayıs 2012 Doç. Dr. Burak ÖZKAL İstanbul Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü ozkal@itu.edu.tr
NP-Tanım ve Sınıflandırma Toz-İnce Toz-Mikronaltı tozlar-np ler Farklı boyut ve morfoloji En bilinenleri metal, metaloksit, silikat, oksit olmayan seramik kategorilerinde yeralan Fullerenler, dendimerler ve kuantum noktaları Üretim yöntemlerine göre Boyut aralığına göre Kullanım alanlarına göre Elde edilen özellik ve ulaşılan teknoloji seviyesine göre (True Nano) 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 2
NP-Önemi Yaklaşık 50 nm altında -kuantum fizik kanunları geleneksel fizik kanunlarının yerini alır. Bir maddenin iletkenliği, reaktifliği, elastisitesi, sertliği, rengi, sıcaklık ve basınca dayanımı bu değişimden etkilenir. Bu değişimler daha küçük, daha hızlı, daha akıllı, daha ucuz ve daha güvenli çözümler için anahtar role sahiptir. Bu bağlamda nanopartikülleri tüm bu çözümlere katkı sağlayacak malzemelerin inşasında kullanılabilecek temel yapıtaşları olarak görmek mümkündür. 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 3
NP-Boyut Özellik İlişkisi 10 3 T erg Au Yığın = T erg Au Topak T erg Au Yığın > T erg Au Topak > 1000 atom < 1000 atom - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Atom Sayısı - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 6 10 1 YIĞIN NANOPARTİKÜLER MOLEKÜLLER 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 4
NP-Önem Arzeden Özellikler Toz Malzemeler için önem arzeden özellikler PARTİKÜL ŞEKLİ PARTİKÜL BOYUTU ve DAĞILIMI PARTİKÜL YÜZEY ALANI PARTİKÜL KİMYASI REAKTİFLİK Örnek olarak bu özelliklerden yüzey alanını nanopartiküller için irdeleyelim. 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 5
Bir kürenin çapını yarı yarıya azaltarak aynı hacimi doldurmak için kaç küreye ihtiyaç duyarız? 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 6
D D/2 D/2 x 8 D/2 D/2 D/2 D/2 D/2 D/2 D/2 D/2 4/3 x p x (D/2) 3 4/3 x p x (D/4) 3 = 8 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 7
D D/10 D/10 D/10 D/10 D/10 10 3 10 3 4/3 x p x (D/2) 3 4/3 x p x (D/20) 3 = 1000 100 mm 10 mm 1 mm 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 8
NP-Önem Arzeden Özellikler-Yüzey Alanı Yarıçap (mm) Küre Sayısı (adet) Hacim /Küre (cm 3) Alan /Küre (cm 2) Toplam Alan (m 2) 10 10 9 4.2 x 10-9 1.26 x 10-5 0.126 1 10 12 4.2 x 10-12 1.26 x 10-7 1.26 0.1 10 15 4.2 x 10-15 1.26 x 10-9 12.6 0.01 10 18 4.2 x 10-18 1.26 x 10-11 126 d = 2.29 g/cm 3 1 g malzeme için hesaplanmış değerlerdir. 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 9
NP-Önem Arzeden Özellikler-Yüzey Alanı Dolayısıyla, nano seviyede toz partiküllerinden bahsediyorsak yüzey alanı hacim ilişkisi yüzey alanı yönünde ciddi olarak bozulmaktadır. Artan yüzey alanı nedeniyle partiküller arası sürtünme kuvvetleri artmakta ve nanopartiküller kendi kendine akışkanlıklarını neredeyse tamamen kaybetmektedir. Sahip oldukları bu tarz özellikleriyle başka malzemelerin içerisine homojen olarak katılmaları oldukça zorlaşmaktadır. Peki nano seviyedeki tüm partikülleri küresel kabul edebilir miyiz? 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 10
M NP-Önem Arzeden Özellikler-Partikül Şekli O R F O L O J İ 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 11
Farklı partikül şekilleri nedeniyle bu mümkün değil ama eşdeğer çap kavramı bu bağlamda bize yardımcı olabilecek bir kavram. V V D v Hacimsel Eşdeğer Küresel Çap (D v ) V partikül = (π/6) Dküre 3 Yüzey Alanı bulk Yüzey Alanı D SA Yüzey Alansal Eşdeğer Küresel Çap (D SA ) SA partikül = πdküre 2 İzdüşüm Yüzey Alanı kesit Kesit Alanı D proj İzdüşümsel Eşdeğer Küre Çapı (D proj ) A proj = (π/4)d küre 2 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 12
NP-Önem Arzeden Özellikler Yüzey alanı ve partikül şeklinden yola çıkarak nanopartikül boyut ve dağılımı hakkında fikir yürütebiliriz. Bununla birlikte partikül kimyası ve reaktifliğin oldukça önem arzeden hususlar olduğunu belirtmeliyiz. Örneğin artan yüzey alanları bu malzemelerin reaksiyon potansiyellerini artırmaktadır. Ayrıca sıcaklık gibi dış etkenlerin nanopartiküller üzerine çok önemli etkileri vardır. 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 13
NP-Sıcaklığın Etkisi Oda sıcaklığı 150 o C 1000 o C Gerçektende nanopartiküllerin yüksek yüzey alanı değerleri sıcaklık gibi dış etkenler karşısında nanoboyutlarını korumasını zorlaştırmaktadır. 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 14
ELEKTRİKSEL OPTİK MANYETİK MEKANİK KİMYASAL ISIL NP-Uygulamalar 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 15
15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 16
NP-Kendi Kendine Düzenlenme 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 17
NP-Riskler -Kontrolsüz Üretim Kontrolsüz Kullanım ve yayılma - İnce tozlar - silikosiz - Gümüş Nanopartikülleri - Yakıt Katkıları -Regülasyon, Standardizasyon Açığı -Nanofobi Senaryoları -Grey goo - Ekofaji -Drexler- Kendi kendine düzenlenme Assembler -Nanomalzemelerin Toksitliği üzerine Bilimsel Yayınlar - 1998 < 10-2010 > 200
Hava Kirliliği Küresel Isınma Azalan Enerji Kaynakları Teşekkürler... 15.05.2012 Sainte Pulcherie Fransız Lisesi 19