NANOTEKNOLOJİ (Dünya'nın Çehresini Değiştirecek Buluş) Prof. Dr. Halis ÖLMEZ Ondokuz Mayıs Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü Samsun Giriş Günlük hayatta kullandığımız ürünler atomlardan yapılmıştır. Bu ürünlerin özellikleri atomlarının düzenleniş şekline bağlıdır. Söz gelimi, karbon atomlarını uygun bir şekilde yeniden düzenlersek kömürü elmasa dönüştürebiliriz. Bir taş parçasındaki atomları yeniden düzenler ve bazı elementlerden çok az miktarlarda ilave edersek bilgisayar yongaları (çipleri) elde edebiliriz. Eğer toprak, su ve havada bulunan atomları yeni baştan uygun bir şekilde gruplandırabilirsek patates üretebiliriz. Ancak günümüzün üretim metotları moleküler düzeyde oldukça kabadır ve tek tek değil büyük yığınlar halinde atomları işleme sokar. Bu üretim, boks eldivenleri giyilmiş ellerimizle Lego bloklarından istediğimiz bir modeli oluşturma çabamıza benzer. Evet, boks eldivenli ellerimizle yığınlar halinde Lego parçalarını itebilir, bir araya getirebiliriz. Ama arzuladığımız şekli veremeyiz. Gelecekte nanoteknoloji sayesinde boks eldivenlerini çıkararak moleküler düzeyde doğanın temel yapı elemanlarını kolaylıkla, ucuz bir şekilde ve genelde fizik kanunlarına bağlı kalarak bir araya getirebilecek ve olağandışı şeyler üretebileceğiz. Çağımıza yön veren teknolojileri iletişim teknolojisi, gen teknolojisi, uzay teknolojisi ve nanoteknoloji olarak sıralayabiliriz. Bunlardan nanoteknolojiye bilgi çağının teknolojisi de denilebilir. Dünyamızda teknoloji akıl almaz bir hızla ilerlemektedir. 20 sene önceye baktığımızda insanlığın nasıl bir hızda ilerlediği kolaylıkla görülebilir. İlk bilgisayar bir oda kadar büyüktü. Ondan sonra masaüstü bilgisayarlar büyük rağbet gördü. Ancak teknolojinin hızla ilerlemesi onların da hantallığını gözler önüne serdi. Çünkü artık diz üstü bilgisayarlar mevcuttu. Hatta cep pc diye tabir edilen ve avucumuzun içine sığabilen bilgisayarlar icat
edildi. 5-6 sene öncesine kadar piyasada doğru düzgün cep telefonu yokken şimdi akıl almaz özelliklerle karşımıza çıkan cep telefonları var. İşte günlük hayatta kullandığımız birçok elektronik eşya gittikçe küçülüyor. Peki, bu küçülme nereye kadar devam edecektir? Altında yatan teknoloji nedir? Gelecekte bizleri bekleyen kolaylıklar ve tehlikeler nelerdir? İşte bütün bu ve benzeri soruların cevabı nanoteknoloji olacak gibi gözükmektedir. Nanoteknoloji Nedir? Nanoteknoloji, biyolojik sistemlerden esinlenilerek molekülsel makinelerin yapılabileceği düşüncesinden doğmuştur. İçinde bulunduğumuz doğada sayısız nanoteknolojik harikalar bulunmaktadır. Bilim adamları doğada yaratılmış olan bu nano ölçekteki olguları ve yöntemleri öğrenmeye ve kendi kendini çoğaltabilen, denetleyebilen, kontrol edebilen, onarabilen araçlar, malzemeler ve yapılar oluşturmaya çalışmaktadır. Örnek olarak tüm canlıların hücrelerinde bulunan ve hemen her çeşit proteini üretebilen oldukça küçük (sadece birkaç mikrometre küp) boyuttaki ribozomların, amino asitleri hassas çizgisel bir sırayla arka arkaya dizerek proteinleri oluşturma yönteminin mühendislik yaklaşımıyla incelenmesi ve çözümlenebilmesi sayesinde nanoteknolojik araştırmalarda önemli bir aşama kaydedilebilecektir. Nanoteknoloji, nanometre (nm, 10-9 m, metrenin milyarda biri, atomik büyüklüğün 10 katı) ölçeğindeki fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması, kontrolü ve bu boyutlarda fonksiyonel olan malzemelerin, araçların ve sistemlerin geliştirilmesi ve üretimi demektir. Nanoteknoloji en az bir boyutu 1-100 nm olan malzemeler, cihazlar ve sistemler ile ilgilenir. Nano biriminin daha iyi anlaşılabilmesi için şöyle bir örnek verebiliriz. Bir saç teli yaklaşık 80 bin nanometre genişliğindedir. Nanoteknoloji ilk hedef olarak, moleküler gelişimi hedef alır. Amaç, fiziğin kurallarına aykırı düşmeden, doğanın yapı taşlarını nano boyuta kadar küçültmek, nano ölçekte daha farklı ve üstün nitelikli mekanik, elektronik, ısıl, optik ve kimyasal özelliklere sahip malzeme, alet, makine ve sistemler geliştirmektir. Nanoteknolojinin Önemi Nano sistemler, normal sistemlere kıyasla farklı fiziksel davranışlar sergilerler. Nanobilim ve nanoteknolojinin ilgi alanına giren bu farklılıklar yaklaşık 10 seneden beri dünya ülkelerinin sivil-askeri bilim ve teknoloji stratejilerini belirler hale gelmiştir. Nano ölçek seviyesinde malzemelerin özellikleri makroskopik ölçekten tamamen farklı olup nano ölçeğe yaklaştıkça birçok özel ve yararlı olay ve yeni özellikler ortaya çıkmaktadır. Örneğin, momentum, enerji ve kütle iletim özellikleri artık sürekli değil kesiklidir. Benzer olarak,
optik, elektronik, manyetik ve kimyasal davranışlar klasik değil kuvantumludur. Zamanımızda maddeyi nanometre seviyesinde işleyerek ve ortaya çıkan değişik özellikleri kullanarak, yeni teknolojik nano ölçekte aygıtlar ve malzemeler yapmak mümkün olmuştur. Bütün bu gelişmeler, 19. yüzyılda dünyayı yeniden şekillendiren sanayi devrimine eşdeğer bir bilimsel ve teknolojik devrim başlatmıştır. Bu şekilde atom ve moleküller ile oynayarak tek molekülden oluşan transistör ve elektronik aygıtlar gerçekleştirilmiştir ve dünyada birçok grubun aktif çalışmaları ile geliştirilmektedir. Bütün bu çalışmalar ve gelişmeler elektronik, kimya, fizik, malzeme bilimi, uzay ve hatta sağlık bilimlerini nano ölçekte buluşturmuştur. Önümüzdeki birkaç onyıl içerisinde nanoteknoloji sayesinde mikroskop altında görülebilen nano ölçekte süperbilgisayarlar geliştirilebilecek, insan vücudunun içinde hastalıklı dokuyu bulup iyileştiren, ameliyat yapan nanorobotlar bulunabilecek, insan beyninin kapasitesi ek nanohafızalarla güçlendirilebilecek, kirliliği önleyen nanoparçacıklar sayesinde fabrikalar çevreyi çok daha az kirletecektir. Ulusal güvenliği ilgilendiren konularda nano malzeme bilimi, yeni savunma sistemlerinin geliştirilmesinde ve haber alma / gizlilik konularına yönelik çok küçük boyutlarda aygıtların yapılmasında kullanılacaktır. Birim ağırlık başına şu andakinden 50 kat daha hafif ve çok daha dayanıklı malzemeler üretilebilecek ve bunların sonucu olarak insanın günlük yaşamında kullandığı tekstil ürünleri gibi ürünler değişebileceği gibi, uzay araştırmalarında ve havacılıkta yeni roket ve uçak tasarımlarının ortaya çıkması mümkün olacaktır. Bilgisayar çağının başları olan 1950 lerden bu yana yaklaşık her 18 ayda bir bilgisayar performansının iki katına çıktığı ve büyüklüğünün yarıya indiği bilinmektedir (Moore kuralı). Bu kural 2020 li yıllara kadar geçerliliğini koruyacak; bu yıllarda, üretilen bilgisayarlar moleküler boyutlara kadar gelip dayanacaktır. Şu anda 40 milyon transistörlü bir işlemci, 2015 yılında 5 milyar transistörden oluşacaktır. Bu şekilde bilgi işleme hızı oldukça artarken enerji kullanımı da çok aza indirilebilecektir. Öyle görünmektedir ki, nanoteknoloji önümüzdeki birkaç onyıl içinde uygarlığa damgasını vuracaktır. Nanobilim ve nanoteknoloji çok çeşitli alanlarda hızla hayatımıza girmektedir. Bu etki sanayi, enerji, tıp ve bilgisayar sektörlerinde devrim yapacak, hidrojen enerjisi üretimi de nanoteknoloji ile ağırlıklı olarak gündeme gelecektir. Nanoteknoloji, bilişim ve haberleşmeden başlayarak, savunma sanayi, uzay ve uçak teknolojileri ve hatta moleküler biyoloji ve gen mühendisliğine kadar geniş bir alanı kucaklayacak, bu arada muhtemelen tarım ve sanayi üretiminde işsizlik yaratabilecek, petrol, altın, elmas ve para değersiz hale gelebilecektir. Nanoteknoloji ABD de, yaklaşık 10 sene önce en öncelikli ve kritik alan olarak ilan edilmiş ve ABD nin en çok desteklenen programlarından biri olmuştur. ABD nanoteknolojiye yılda 1,7 milyar dolar ayırarak dünya lideri olurken, Asya kökenli şirketler 1,4 milyar dolarla
ABD'nin peşinden gelmektedirler. Mevcut 88 bin 546 nanoteknoloji patentinin yaklaşık yüzde 64'ü ABD'ye aittir. ABD yi yakından izleyen Japon hükümeti benzeri görülmemiş parasal destekleri nanoteknoloji için seferber etmiştir. ABD ve Japonya'daki gelişmeleri kaygı ile izleyen Avrupa Birliği de nanobilim ve nanoteknolojiyi öncelikli alan olarak ilan etmiştir. Komşumuz Yunanistan ın Girit adasında kurulu, 500 doktoralı araştırmacının çalıştığı Heraklion Araştırma Merkezinde nanoteknoloji geliştirme üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. İsrail de bu konuda çok hızlı davranarak çok sayıda tanınmış bilim adamını nanocenter kuruluşlarında toplamıştır. Nanoteknolojiden gelecek 10-15 yıl içinde büyük ve sürpriz çıktılar ve yeni pazarlar beklenmektedir. Nanoteknoloji, gelişmiş ülkelerle gelişmemiş ülkeler arasındaki arayı kapanamayacak kadar ve katlanarak artıracak, nanoteknolojiye sahip olan ülkelerin refah seviyesi, ulusal savunması ve ekonomisi daha güçlü bir konuma gelecektir. Nanoteknolojinin Kullanım Alanları Mikro-Akışkan Bilimi: Akışkanlardan, ulaşım, enerji üretimi, vb makro düzeyde yararlanmanın dışında, nanoteknolojik gelişmeler sayesinde mikro / nano düzeydeki akışkan özelliklerine göre de yararlanılabilir. Gelecekte, akışkanların nano düzeydeki özelliklerine bağlı olarak hastalıkların teşhisi, ilaç etkileşimlerinin belirlenmesi, DNA değişimi ve işlenmesi, vücuda alınan gıda maddeleri ve sıvıların izlenmesi, bitki ve hayvanlarda sağlık takibi, çevresel izleme ve denetleme v.b. uygulamalar mümkün olabilecektir. BiyoMEM BiyoNEM ve Biyoyongalar: Son yıllarda mikroelektromekanik (MEM) sistemlerde oldukça önemli aşamalar kaydedilmiştir. Halihazırda, mikro düzeyde tamfonksiyonel pompalar, motorlar, duyargalar, v.b. elektromekanik sistemler kullanılabilmekte, posta pulundan daha küçük boyuttaki biyoyongaların üretimi mümkün olabilmektedir. Günümüzde bu sistemlerin mikro düzeyden nanoelektromekanik düzeye (NEM) geçişinde ve bunların biyolojik sistemlerle bütünleştirilmesinde devrim niteliğinde bilimsel aşamalar beklenmektedir. Nükleik Asit Biyomühendisliği: DNA moleküllerinin yapı blokları olarak kullanılması suretiyle nanokablolar ve nanomembranlar benzeri yapıların geliştirilmesi ve özellikle tarım ve gıda mühendisliğinde sayısız uygulama alanlarının bulunacağı öngörülmektedir. Akıllı Taşıyıcı Sistemler: Moleküler ölçekte kodlanmış paketlerin kendilerine tanımlanan adres uyarınca vücudun ilgili bölgesine ulaştırılmasına imkan verecek olan
sistemler sayesinde bitki ve hayvanlarda vitamin, antibiyotik, pestisit ve gübre kullanımında tasarruf ve etkinlik artışının sağlanabileceği düşünülmektedir. Nano-Biyoproses: Biyolojik malzemeden doğal biyolojik proseslerin kullanımıyla istenilen birleşimlerin elde edilmesi olarak tanımlanan biyoproses, nanoteknoloji sayesinde çok daha yüksek bir etkinlikte gerçekleştirilebilecektir. Moleküler duyargalar kullanımı, biyolojik malzemedeki mikropların çok daha hızlı bir şekilde tanımlanabilmesini sağlayacak olan kitler örnek olarak verilebilir. Biyoanalitik Nanosensörler: Nano ölçekte duyargalar yardımıyla, tarım ve gıda sistemlerindeki çok düşük miktarlarda olsa dahi kimyasal safsızlıkların, patojenlerin veya virüs taneciklerinin tespit edilmesi mümkün olacaktır. Gıda maddelerinin ambalajlanmasında kullanılacak bu sistemler sayesinde gıda ürünlerinin mikrobiyal bulaşmasının önceden tespiti ve kendi kendini koruma mekanizmaları yardımıyla önlenmesi ve böylece gerek depolama gerekse dağıtımda oldukça önemli kolaylıklar ve tasarruflar sağlanabilecektir. Nanomalzeme: Gerek nanoteknoloji sayesinde yeni bir malzeme buluşuyla gerekse doğada var olan bazı malzemelerin (örneğin topraktaki nanotanecikler kil, zeolit, imogolit) kullanılması suretiyle nano ölçekte farklı özellikler gösteren kompozit malzemelerin kullanımı mümkün olabilecektir. Bunlar arasında saydamlık, azalan ağırlık, artan dayanım özelliklerini gösteren malzemeler, giyenin sağlık ve fiziki durumu hakkında uyarılar veren akıllı kumaşlar örnek olarak verilebilir. Tarımsal malzemenin faydalı ürünlere dönüştürülmesi ve bu sayede çevrenin korunumu nanoteknolojinin gelişiminde önemli ve heyecan verici bir potansiyel alan olarak görülmektedir. Günümüzde özellikle bitkisel yağların biyo-yakıtlara ve endüstriyel çözeltilere dönüştürülebilmesinde ihtiyaç duyulacak nano-katalizörlerin geliştirilmesi ve tasarımı konusunda ciddi çalışmalar yapılmaktadır. Sağlık: Nanoteknoloji ile özellikle kanser tedavisinde, kimyasal tedavi (kemoterapi) ve radyoterapi yöntemleri kalkacak, vücuda zarar vermeden tedavi yoluna gidilebilecektir. Vücuda enjekte edilen nanorobotlar, vücuda zararlı maddelerin yok edilmesi, zarar gören organların tamiri gibi birçok konuda insan vücuduna yardımcı olabilir. Nanoteknolojideki gelişmelerle insanoğlu tüm hastalıklara bağışıklık kazanabilir. Nano Tüpler: Elektronik yongaların ve taşınır belleklerin yapımında kullanılmaya başlanan nanoteknoloji, aslında normal koşullarda üretilen yongaların üzerine bir katman olarak silikon nanokristallerin veya silikon benzeri polimerlerin yerleştirilmesi mantığına dayanır. Yapılan araştırmalar, moleküler ölçekli elektronik uygulamaları ilk kez parça düzeyinden çıkarıp, çalışabilen devre düzeyine taşımıştır. Ama 1 trilyon devreyi 1 santimetre kare alana sığdırıp bağlantılarını geliştirmek, çalışırken moleküler yapılarının
değişmesini önlemek, bütün bunları hızlı ve ucuz bir biçimde yapmak pek de kolay görünmemektedir. Silikon çok küçük boyutlarda detektörler yapmak için ideal olmasına rağmen nanoteknologları en çok heyecanlandıran başka bir malzeme daha vardır. Bu malzeme, 1991'de bir Japon araştırmacı tarafından tesadüfen keşfedileni karbon nanotüplerdir. Nanotüpler, içi boş silindir halinde sarılmış karbon atomu yapraklarıdır. Bu yapraklar sıra dışı özelliklere sahiptir, çelikten 10 kat güçlü, 6 kez hafiftir. Köprü, uçak ve uzay asansörü yapmaya çok uygundur. Tek sorun, laboratuvar kaynaklı en uzun nanotüpün 10 milimetre boyunda olmasıdır. Türkiye ve Nanoteknoloji Ülkemizde yakın zamanda birkaç üniversite ile Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü'nde nanobilim ve nanoteknoloji ile ilgili çalışmalara başlanmıştır. Ağustos 2004'de TÜBİTAK bünyesinde oluşturulan "Vizyon 2023 Projesi" kapsamında oluşturulan Nanoteknoloji Strateji Grubu, "Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri" başlıklı çalışmasında, Cumhuriyetin kurulmasının 100. yıldönümü olan 2023 yılına kadar Türkiye'nin izlemesi gereken nanoteknoloji stratejisini belirleyerek ilgililere sunmuştur. Dileğimiz ve beklentimiz, yeterli kaynak ayrılarak, belirlenen hedeflere varılması konusunda gereken adımların vakit kaybedilmeksizin atılmasıdır. Ülkemiz, çağımızın insan yaşamını birkaç onyıl içinde büyük ölçekte yeniden düzenleyecek olan bu kritik gelişmelere şu ana kadar seyirci kalmıştır. Ne yazık ki Avrupa da ulusal bir nanoteknoloji planı bulunmayan ülkeler sadece Malta ve Türkiye'dir. Bu planın hazırlanması ve bunun gerektirdiği araştırma altyapısına verilecek destekte geç kalınması halinde, Türkiye bu son fırsatı da kaçıracaktır. En önemli husus ise, Türkiye bu fırsatı da kaçırırsa, nanoteknoloji ürünleri (aygıtlar, detektörler, hızlı bilgisayarlar, uzay, uçak teknolojileri, tıp teknolojisi, gen terapi vb) için bu teknolojiye hükmeden ülkelere alışık olduğumuzdan çok daha büyük bedeller ödemek zorunda kalacak, bu yüksek bedeli ödemeyi göze alsa bile, ulusal savunmaya hızla girmekte olan nanoteknoloji ürünlerini satın almak her zaman mümkün olmayabilecektir. Gelişmemiz, kalkınmamız, ulusal güvenliğimiz ve refahımız için tek yol bu teknolojiye hazırlıklı olmak ve bu tür konularda hem temel bilimler açısından hem de teknolojik olarak ön sıralarda yer almaktır.