İÇİNDEKİLER 1. Bölüm GENEL GİRİŞ 1.1. GİRİŞ... 1 1.2. NANOTEKNOLOJİ NEDİR?... 3 1.2.1. Tanımlar ve Terminoloji... 6 1.3. NANOTEKNOLOJİLER NEDEN BÜYÜK HEYECAN YARATIYOR?... 7 1.4. NANOTEKNOLOJİNİN TARİHÇESİ VE GELİŞİMİ... 10 KAYNAKLAR... 20 2. BÖLÜM NANOTEKNOLOJİ KURAMLARI VE ESASLAR 2.1. GİRİŞ... 23 2.2. TEMEL KURAMSAL ESASLAR... 26 2.2.1. Elektromanyetik Kuvvetler... 27 2.2.2. Kuantum Mekaniği... 28 2.2.2.1. Heisenberg Belirsizlik İlkesi... 29 2.2.2.2. Schrödinger Eşitliği... 31 2.2.2.3. BOHR Atom Modeli... 33 2.3. YALITKANLAR, İLETKENLER, YARIİLETKENLER... 39 2.3.1. Yalıtkanlar... 39 2.3.2. İletkenler... 40 2.3.3. Yarıiletkenler... 40 2.3.3.1. İçkin/Intrinsic Yarıiletkenler... 41 2.3.3.2. Dışsal/Extrinsic Yarıiletkenler... 41 vii
viii Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru 2.4. SERBEST ELEKTRON KURAMI... 43 2.5. NANOTEKNOLOJİDE DİĞER KUANTUM KUVVETLERİ & DİĞER ETKENLER... 48 2.5.1. Diğer Kuantum Kuvvetler... 48 2.5.2. Kuantum Girişim Etkisi... 50 2.5.3. Kuantum Mekaniksel Tünelleme... 51 2.6. YÜZEY ALANI ETKİSİ... 53 2.7. RASTGELE-RANDOM HAREKETLER... 61 KAYNAKLAR... 62 3. BÖLÜM NANOTEKNOLOJİK SÜREÇLER & NANO-İMALAT TEKNOLOJİLERİ 3.1. GİRİŞ... 65 3.2. PASİF NANOYAPILARIN TEMEL YAPITAŞLARI: NANOPARÇACIKLAR... 69 3.2.1. Nanoparçacık Nedir? Neye Derler?... 71 3.2. AŞAĞIDAN-YUKARIYA SÜREÇLERİ VE YÖNTEMLER... 77 3.2.1. Gaz Fazı Süreçleri... 77 3.2.2. Sıvı Faz Süreçleri... 79 3.3. YUKARIDAN-AŞAĞIYA SÜREÇLER VE YÖNTEMLER... 83 3.3.1. Yukarıdan-Aşağıya Süreçlerin Esasları... 84 3.3.1.1. Fotolitografi Teknikleri... 85 3.4. KENDİ-KENDİNE MONTAJ SÜREÇLERİ... 86 KAYNAKLAR... 91 4. BÖLÜM NANOTEKNOLOJİLERDE GÖRÜNTÜLEME TEKNOLOJİLERİ: MİKROSKOPLAR 4.1. GİRİŞ... 93 4.1. 1. Mikroskop nedir?... 93 4.1.2. Kısa Tarihçe... 93 4.2. OPTİK (IŞIK) MİKROSKOPU... 95 4.3. TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOP (TEM)... 97
İçindekiler ix 4.4. GEÇİRMELİ ELEKTRON MİKROSKOPU (GEM)... 103 4.4.1. GEM de Numune Hazırlanması... 104 4.4.2. GEM Bileşenleri... 104 4.5. ATOMİK KUVVET MİKROSKOPU (AKM)... 106 4.5.1. AKM Tekniğinin Temel Bileşenleri... 109 4.6. TARAMALI TÜNELLEME MİKROSKOPU... 109 4.6.1. Atomik Manipülasyon... 112 KAYNAKLAR... 113 5.BÖLÜM KARBON NANOTEKNOLOJİSİ: KARBON NANOTÜPLER & GRAFEN 5.1. GİRİŞ... 115 5.2. KARBON NANOTÜPLER (KNT)... 117 5.3. GRAFEN... 120 5.3.1. Grafen in Özellikleri... 121 5.3.2. Grafen Sentezlenmesi... 122 5.3.3. Grafenin Potansiyel Kullanım Alanları... 122 5.4. KARBON NANOTÜPLERİN YAPILARI... 122 5.5. KARBON NANOTÜPLERİN MORFOLOJİLERİ... 124 5.6. KARBON NANOTÜP SENTEZLEME VE ÜRETİM SÜREÇLERİ... 125 5.6.1. KNT lerin Ark-Discharge Yöntemiyle Sentezlenmesi... 126 5.6.2. Lazer Ablasyonu ile Sentezleme... 128 5.6.3. Kimyasal Buhar Çöktürme-CVD Yöntemiyle Sentezleme... 128 5.6.4. Gaz-Fazından Katalitik Büyütme Yöntemi ile Sentezleme... 129 5.7. KARBON NANOTÜPLERİN ÖZELLİKLERİ... 130 5.8. KARBON NANOTÜPLERİN UYGULAMA ALANLARI... 135 5.9. GRAFEN KATLANABİLİR ELEKTRONİKLER... 140 KAYNAKLAR... 144 6. BÖLÜM NANOYAPILI MALZEMELER: NANOKOMPOZİTLER 6.1. GİRİŞ... 147 6.2. MMK-METAL MATRİKS KOMPOZİTLER... 149
x Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru 6.3. SMK-SERAMİK MATRİKS KOMPOZİTLER:... 149 6.4. PMK-POLİMER MATRİKS KOMPOZİTLER... 149 6.5. KOMPOZİT YAPILAR VE ÖZELLİKLERİ... 150 6.6. KOMPOZİT İMALAT SÜREÇLERİ... 154 6.6.1. El Yatırma/Püskürtme Süreçleri:... 154 6.6.2. Prepreg... 154 6.6.3. Pultruzyon... 155 6.6.4. Filaman Sargı... 155 6.6.5. Reçine Aktarım Kalıplama... 155 6.7. KOMPOZİT UÇAK: DREAMLINER... 155 6.8. NANOKOMPOZİTLER... 156 6.8.1. Kil Nanoparçacıklarla Takviye Edilmiş Nanokompozitler... 159 6.8.2. Karbon Nanotüp/Polimer Nanokompozitleri... 164 6.8.4. Nanokompozit Uygulamalar... 168 KAYNAKLAR... 170 7.BÖLÜM KUANTUM NOKTALAR QUANTUM DOTS 7.1. GİRİŞ... 171 7.2. KUANTUM NOKTALARIN ÖZELLİKLERİ... 174 7.3. KUANTUM NOKTA NANOKRİSTALLERİNİN SENTEZLENMESİ & ÇEKİRDEK/KABUK NANOKRİSTALLERİ... 175 7.4. KUANTUM NOKTALARIN UYGULAMALARI... 176 KAYNAKLAR... 178 8. BÖLÜM DOĞADA NANOTEKNOLOJİ 8.1. NİLÜFER (LOTUS) YAPRAĞI ETKİSİ... 181 8.1.1. Giriş... 181 8.1.2. Köpekbalığı Derisi Etkisi... 183 8.1.3. Yüzey Gerilimi, Temas Açısı ve Hidrofob Davranım Mekaniği... 183 8.1.4. Uyarlama ve Uygulamalar... 186 8.2. KERTENKELE (GECKO) ETKİSİ... 190 8.2.1. Giriş... 190 KAYNAKLAR... 193
İçindekiler xi 9. BÖLÜM KATALİTİK ETKİ: TİO 2 9.1. GİRİŞ... 195 9.2. FOTOKATALİTİK REAKSİYONLAR VE MEKANİZMA... 197 9.2.1. Radikaller... 199 9.3. NANO TİO 2 : KATALİTİK ETKİ... 200 9.4. FOTOKATALİTİK NANO-TİO 2 UYGULAMALARI... 204 KAYNAKLAR... 207 10. BÖLÜM NANOSİSTEMLER, NANOMAKİNELER, NANOROBOTLAR 10.1. GİRİŞ... 209 10.2. NANOSİSTEM VE ENTEGRE NANOSİSTEMLER NEDİR?... 211 10.3. NANOMAKİNELER... 214 10.3.1. Nanomakineler nedir?... 214 10.4. NANOROBOTİKLER... 216 10.4.1. Giriş... 216 10.4.2. Nanorobotiklerin Temel İlkeleri... 218 10.4.2.1. Giriş... 218 10.4.2.2. Nanorobotlarda kovan davranımı... 220 10.4.2.3. Nanorobotiklerde temel ilkeler... 221 10.4.2.4. Nanorobotlarda güç kaynağı... 223 10.4.2.5. Nanorobotlarda itki... 224 10.4.2.6. Nanorobotlar üzerindeki farklı teçhizatlar, «Hardware»... 224 10.4.2.7. Nanorobotlarda iletişim ve navigasyon... 226 10.4.2.8. Nanorobotlar üzerindeki bilgisayarlar... 227 10.5. BİYOLOJİDEN İLHAM ALINARAK TASARLANMIŞ NANOROBOTLAR... 229 10.5.1. Biyonanorobotikler... 229 10.5.2. Biyolojik Moleküler Makineler... 229 10.5.3. Myosin, Kinesin ve Dynein Motor Proteinler... 231 10.5.4. Flagella Motorları... 232 10.6. ENTEGRE BİR NANOROBOTİK SİSTEM VE BİLEŞENLERİ... 233 10.6.1. Nanorobot Bileşenleri... 233
xii Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru 10.7. NANOROBOTİK UYGULAMALARI... 235 10.7.1. Nanorobotların Tıp Alanında Uygulamaları... 238 10.8 DÜNYADA NANOROBOT YARIŞI... 241 10.8.1. İşin Başka Bir Boyutu!... 242 10.8.2. Sonuçlar... 242 KAYNAKLAR... 243 11. BÖLÜM NANOELEKTRONİKLER & NANOELEKTROMEKANİK SİSTEMLER (NEMS) 11.1. GİRİŞ... 245 11.2. NANOELEKTRONİK CİHAZLAR... 249 11.2.1. Mosfet... 250 11.3. NANOELEKTRONİKLER DÖNEMİNİN BAŞLAMASI: 2003-2004... 251 11.4. SİLİKON TEKNOLOJİSİNİN GELİŞİMİ... 254 11.4.1. Kuantum Etkisi Başlıyor... 255 11.5. KARBON NANOTÜP TRANSİSTÖRLER... 258 11.6. TEK ELEKTRON TRANSİSTÖRLERİ... 260 11.6.1. Tek Elektron Transistör Uygulamaları... 262 11.7. NEMS-NANOELEKTROMEKANİK SİSTEMLER... 263 11.7.1. Giriş... 263 11.7.2. NEMS Teknolojisinin Temelleri... 265 11.7.3. İşlevsel NEMS Cihazları... 268 11.7.4. NEMS lerin Geleceği... 273 KAYNAKLAR... 274 12. BÖLÜM NANOSENSÖRLER 12.1. GİRİŞ... 277 12.2. SENSÖR TÜRLERİ... 280 12.2.1. Optik Sensörler... 280 12.2.2. Elektrokimyasal Sensörler... 280 12.2.3. Kütle Ölçüm Sensörleri... 281 12.2.4. Biyosensörler... 281
İçindekiler xiii 12.3. NANOSENSÖRLER... 281 12.3.1. Nanosensör Nedir?... 282 12.3.2. Nanosensörlerin Uygulamaları... 283 12.3.3. Nanosensör Türleri... 286 12.3.3.1. Piezodirenç nanosensörleri... 287 12.3.3.2. Tünelleme nanosensörleri... 287 12.3.3.3. Kapasitans nanosensörleri... 288 12.3.3.4. Hall-Etken sensörler... 288 12.3.3.5. Piezoelektrik sensörler... 288 12.3.3.6. İndüktans sensörleri... 289 12.3.3.7. Metal nanoparçacık esaslı sensörler... 289 12.3.4. Örnek Sensör Uygulamaları... 291 12.3.4.1. DNA ve biyomolekül tespit teşhisinde nanoparçacık esaslı sensörler... 291 12.3.4.2. Kimyasal direnç esaslı moleküler ayarlı metal nanoparçacık sensörleri... 291 12.3.4.3. Kuantum nokta sensörleri... 291 12.3.4.4. Nanotel esaslı sensörler... 292 12.3.4.5. Kimyasal hassasiyette alan etki transistörleri... 294 12.3.4.6. Nanobiyosensörler... 294 12.3.4.7. Si nanotel ph sensörü... 297 12.3.4.8. Si nanotel FET sensörleri... 297 12.3.4.9. Polimer nanotel optik nem sensörü... 298 12.3.4.10. Uçucu organik bileşenlerin (VOCs) tespit ve teşhisi... 298 12.3.5. KNT Esaslı Nanosensörler... 299 12.3.5.1. Rezonant sensörleri... 301 12.3.5.2. KNT esaslı elektrik sensörleri... 301 12.3.5.3. KNT ağyapı üzerinde alan etki transistör (FET) esaslı DNA sensörleri... 302 12.3.5.4. KNT alan etki transistörleri ile patlayıcı ve sularda zehir tespiti... 302 12.3.5.5. KNT esaslı biyosensörler... 302 12.3.5.6. KNT esaslı elektrokimyasal sensörler... 302 12.3.5.7. KNT esaslı optik sensörler... 303 12.3.6 Çeşitli Nanosensör Örnekleri... 303 KAYNAKLAR... 304
xiv Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru 13. BÖLÜM ÇİP-ÜSTÜ-LABORATUVAR "LAB-ON-CHIP (LOC)" 13.1. GİRİŞ... 307 13.2. ÇİP-ÜSTÜ-LAB TEKNOLOJİSİNDE NANOTEKNOLOJİK AŞAMALAR... 309 13.2.1. Sensör Birimi... 310 13.2.2. Akışkan İşletim Birimi... 310 13.2.3. İnceleme-Değerlendirme (Probing) Birimi:... 310 13.3. ÇİP-ÜSTÜ-LAB ÖRNEKLERİ... 311 KAYNAKLAR... 314 14. BÖLÜM OTOMOTİVDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI 14.1. GİRİŞ... 315 14.2. OTOMOBİLLERDE NANOTEKNOLOJİK UYGULAMALAR... 317 14.2.1. Araç Gövdesinde Çelik Kullanımı... 317 14.2.2. Araç Dış Yüzeyinde Nanoteknoloji... 317 14.2.3. Korozyona Karşı Nano Kaplamalar... 318 14.2.4. Oto Lastiklerinde Nanoteknoloji... 319 14.2.5. Araç-İçi (Interior) Nanoteknoloji Uygulamaları... 320 14.3. NANOTEKNOLOJİLERLE GELECEĞİN OTOMOBİLLERİ... 321 KAYNAKLAR... 322 15. BÖLÜM ENERJİDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI 15.1. GİRİŞ... 323 15.2. ENERJİ KAYNAKLARI... 324 15.3. ENERJİ DÖNÜŞÜM... 325 15.3.1. Yakıt Pilleri... 325 15.4. ENERJİ DEPOLAMA... 326 15.4.1. Ultrakapasitör... 326 15.4.2. Hidrojen Depolama... 326 15.5. GENEL ENERJİ UYGULAMALARI... 326 15.6. NANOTEKNOLOJİLERİN ENERJİ ALANINLARINDAKİ UYGULAMALARI... 330 KAYNAKLAR... 333
İçindekiler xv 16. BÖLÜM SAVUNMA VE GÜVENLİKTE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI 16.1. Giriş... 335 16.2. GELECEĞİN PİYADE SAVAŞÇISI VE NANOTEKNOLOJİLER... 339 16.2.1. Tekstil, Kumaşlar, Malzemeler... 339 16.2.2. KBRN Tespit ve Teşhis Sensörleri, Elektronik Burun... 340 16.2.3. İnsansız Mikro/Nano Keşif-Gözlem Araçları ve Robotikler... 341 16.2.4. Araçlar (Kara, Hava, Deniz, Uzay)... 342 16.2.5. Nanoteknoloji ile Hayalet Stealth Teknolojisi... 343 16.2.6. Nanoteknoloji ile Güçlendirilmiş Zırh Teknolojileri... 344 16.3. GÜVENLİK... 346 16.4. AKILLI TOZ SMART DUST TEKNOLOJİSİ... 347 KAYNAKLAR... 348 17. BÖLÜM ÇEVRE TEKNOLOJİLERİNDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI 17.1. GİRİŞ... 349 17.2. ÇEVRE TEKNOLOJİLERİNDE NANOTEKNOLOJİLERİN UYGULANMASI... 351 17.2.1. Çevreye Zararlı ve Zehirleyici Maddelerin Tespit ve Teşhisi: Nanosensör Teknolojileri... 351 17.2.2. Nanoteknoloji ile Temiz, İçilebilir Su İşleme Teknolojileri... 353 17.3. ÇEVRE TEMİZLEME, ARITMA VE KORUMA... 356 17.3.1. Nano Sıfır Değerli Demir Yöntemi-nSDD... 356 17.3.2. Toprak ve Yeraltı Sularının Temizlenmesi... 358 KAYNAKLAR... 359 18.BÖLÜM GIDA TEKNOLOJİLERİ VE TARIMDA NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI 18.1. GİRİŞ... 361
xvi Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru 18.2. NANOTEKNOLOJİNİN GIDA TEKNOLOJİLERİNDE UYGULAMALARI... 363 18.2.1. Nanogıda nedir?... 363 18.3. TARIM TEKNOLOJİLERİNDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 366 KAYNAKLAR... 368 19. BÖLÜM NANOTEKNOLOJİNİN DİĞER UYGULAMALARI 19.1. KOZMETİK VE KİŞİSEL BAKIM ÜRÜNLERİNDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 369 19.1.1. Kozmetiklerde Kullanılan Nanoyapılı Malzemeler... 371 19.2. SPOR TEÇHİZATINDA NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 373 19.3. YAPI VE İNŞAATTA NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 376 19.3.1. Çimento Esaslı Yapı Malzemelerinde Nanoyapılı Malzemeler... 377 19.3.2. Isı ve Ses Yalıtımında veya Sıcaklık Ayarlamada Nanoyapılı Malzemeler... 379 19.3.3. Farklı Malzemeler Üzerine İşlevsel Nanokaplamalar... 379 19.3.4. Yangına Karşı Tutuşma Geciktirici Malzemeler... 380 19.4. TEKSTİL TEKNOLOJİLERİNDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 380 19.5. ESKİ ESERLERİN KORUNMASINDA NANOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI... 384 KAYNAKLAR... 387 20. BÖLÜM NANOTEKNOLOJİNİN TOPLUMSAL ETKİLERİ 20.1. GİRİŞ... 391 20.2. NANOTEKNOLOJİLERİN TOPLUMSAL ETKİLERİ... 392 20.3. NANOTEKNOLOJİLERDE ÇEVRE VE SAĞLIK RİSKLERİ... 394 20.4. NANOTEKNOLOJİLERİN SOSYO-EKONOMİK, POLİTİK, ETİK VE KÜLTÜREL ETKİLERİ... 395 20.5. GELECEKTE OLUŞACAK NANOEKONOMİ... 397 KAYNAKLAR... 398
İçindekiler xvii 21. BÖLÜM TÜRKİYE DE NANOBİLİM & NANOTEKNOLOJİ 21.1. GİRİŞ... 399 21.2. TÜRK ÜNİVERSİTELERİNDE NANOBİLİM & NANOTEKNOLOJİ ETKİNLİKLERİ... 400 21.3. TÜRKİYE DE ENDÜSTRİYEL SEKTÖRLERDE NANOTEKNOLOJİLER... 403 KAYNAKLAR... 408 22. BÖLÜM NANOGELECEK: NANOTEKNOLOJİLER DÜNYASINA DOĞRU 22.1. GİRİŞ... 409 22.2. GELECEĞİN DÜNYASI... 410 22.2.1. Geleceğin Kentleri... 412 22.2.2. Geleceğin Taşıtları... 413 22.2.3. Gelecekte Toplum, Birey: Tıp/Sağlık ve Gündelik Yaşam... 415 22.2.4. Gelecekte Robotlar... 417 22.2.5. Geleceğin Hava Taşıtları... 417 22.2.6. Geleceğin Bilgisayarları... 418 22.2.7. Geleceğin Akıllı Telefonları... 418 22.2.8. Gelecekte Eğitim-Öğretim... 419 22.2.9. Gelecekte Savunma ve Güvenlik... 419 22.3. GELECEĞİN DÜNYASI: NANO DÜNYAYA DOĞRU... 420 23. BÖLÜM KAYNAKLAR KİTAPLAR & RAPORLAR... 427 MAKALELER... 429 ÖZ GEÇMİŞ... 437