Küçük Parçacıkların Büyük Dünyası: Nanobilim
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Ünlü fizikçi Richard Feynman’ın 1959 yılında American Physical Society toplantısında yapmış olduğu bir konuşmada ‘‘There is plenty of room at the bottom.’’ (Aşağıda daha çok yer var) diyerek nanobilimin gizemli kapılarını ilk kez aralamıştır. Günümüzde büyük bir ivme kazanarak ilerlemekte olan nanoteknoloji, disiplinlerarası bir yaklaşımla tüm endüstriyel sektörlerde adından söz ettirmektedir. Nanoteknolojide kullanılan malzemelere nanoparçacık denilmekte ve boyutları 1-100 nanometre (nm) aralığındadır. DNA molekülünün yaklaşık 2 nm olduğunu düşünürsek nanoparçacıkların ne kadar küçük olduklarını kavrayabiliriz.[1]
Nanoparçacıkları sıra dışı yapan şeyin küçük boyutlara sahip olmaları dersek yetersiz kalır. Nanoteknolojinin bu kadar heyecan yaratmasının asıl sebebi maddenin büyük kütle (bulk) boyutlarında sahip olduğu özelliklerinin, nano ölçülere indirgendiğinde önemli ölçüde değişmesidir. Madde küçüldükçe bütünlük azalır ve yüzey alanı büyürken yüzeyde bulunan atomların yüzdesi artmaktadır. Boyutların küçülmesi ile yüzey alanının hacme olan oranının artışına “Yüzey Alanı Etkisi” denilmektedir. Böylece nano boyuta ulaşmış olan malzemeler, kimyasal reaktivitelerinin etkilenmesiyle yeni optik, mekanik, elektriksel ve manyetik vb. gibi özellikler kazanmaktadır.[2] 2010 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a nobel fizik ödülünü getirmiş olan grafen, yüzey alanı etkisinin en iyi örneklerinden biridir. Bizler aslında grafenle günlük hayatımızda sık sık karşılaşmaktayız örneğin kurşun kalemle kâğıda bir çizgi çektiğimizde milyonlarca grafen elde etmiş oluruz. Kalemlerimizin ucunda bulunan siyah renkli katı madde bir grafittir ve tek atom inceliğinde (yaklaşık 0.4 – 0.6 nm) olan grafen katmanlarından oluşmaktadır Bunun anlamı 1 milimetre kalınlığında grafite ulaşmak için 1 milyon grafenin üstüste dizilmesi demektir. Peki sizlere grafenin çelikten 200 kat daha güçlü olduğunu söylesem ne düşünürdünüz? Bizler her ne kadar kalemlerimizin kırılgan olduğunu düşünsek de grafen ultra yüksek mekanik dayanım, mükemmel elektriksel ve ısıl iletkenliğe sahiptir.[3]
Yüzey alanı ve parçacık boyutunun değişmesiyle yeni niteliklerin kazanmasına bir diğer örnek ise altın ve gümüş metalleri verilebilir. Bildiğimiz üzere altın sarı ve gümüş açık gri bir renge sahiptir. Fakat 4.yy’da Roma döneminde şarap kadehi olarak kullanılan ve günümüzde British Museum’da bulunan Lycurgus Kupası “Lycurgus Cup” aslında bunun her zaman da böyle olmadığını gözler önüne sermektedir. İki farklı renkte görülebilen kupa, camın ergimesiyle içerisine eklenen altın ve gümüş nanoparçacıklar sayesinde gerçekleşmektedir. Bunun nedeni ise nano ölçeklerde altının rengi kırmızı gümüşün ise koyu yeşil olmasından dolayıdır. Böylece ışık kaynağına bağlı olarak kupa üzümü temsil etmek için yeşile ve şarabı temsil etmek içinse kırımızı renge dönüşmektedir.[5]
Biyomemitik
Yüzyıllar boyunca insanoğlunun doğayı anlama ve taklit etme arzusu, gelişen teknoloji ile gün geçtikçe artmaktadır. Doğa, insan yaşamının sorunlarına çözüm olmakla kalmayıp, tasarımlara da ilham kaynağı olmaktadır. İnsanların yaşamlarını çevrelerinde yer alan canlılardan esinlenerek şekillendirmesine biyomemitik yani “biyotaklit” denilmektedir.[6] Bizler için çok yeni olan nanobilimi aslında doğada uzun zamandır var olmakta ve kendisi nano yapılar üretmektedir. Lotus (Nilüfer) çiçeği göl veya çamurlu su birikintisinde yetişmesine rağmen yapraklarının yüzeyi hiç su değmemişçesine temiz ve pürüzsüzdür. Lotus yaprağının yüzey özelliklerini ilk olarak 1997’de Alman botanikçi Wilhelm Barthlott inceledi ve yaprağın kendini temizleme olayını “Lotus Etkisi (Lotus Effect)” olarak adlandırdı. Lotus bitkisinin yüzeyinde bulunan nano boyuttaki pürüzler, yaprak ile su damlacığı arasındaki temas açısının büyümesine böylece yüzeyin su itici (hidrofobik) özellik kazanmasını sağlamıştır.[7] Lotus bitkisinin kendine has topolojisi bilim insanlarına ilham kaynağı olmuştur. Böylece günümüzde lotus etkisine sahip olan; su itici oto camları, anti-mikrobiyotik yüzeye sahip cerrahi aletler ve kendin temizleyebilen tekstil malzemeleri gibi çeşitli endüstriyel ürünler karşımıza çıkmaktadır.
Bir diğer biyomemitik örnek ise, kertenkele etkisidir (gecko effect). Kertenkeleler her türlü koşulda ve yüzeyde yerçekimine meydan okuyarak hareket edebilme yeteneği, ayaklarında bulunan sıra dışı morfoloji ile ilgilidir. Ayaklarının alt kısımlarında yaklaşık 200 nm uzunluk ve genişlikte milyarlarca “setae” olarak adlandırılan tüyler bulunmaktadır.[8] Bu tüyler, Van der Waal kuvvet etkileşimi ile yüzeye anlık yapışma ve ayrılma sağlayarak canlıya hareket imkânı verir. Gecko etkisi gündelik hayatımızda; tekrar kullanılabilen yapışkan bantlar, süper tutunma sağlayan oto lastikler, dik yamaçlara tırmanma imkânı veren eldiven ve botlar gibi uygulamalarla karşımıza çıkmaktadır. Pek çok nano oluşumun doğada var olduğunu biliyoruz. Nanoteknolojinin gelişmesi ile bu yapıların keşfi hızlanmakta ve daha çok örneklerle hayatımızı kolaylaştırma yolunda ilerlemektedir.
Nanogelecek
Günümüzde insan ihtiyaçlarının hızla değişip artması nedeniyle, teknolojide gelişim ve inovasyon süreklilik göstermektedir. Bunun ışığında nanobilimin geleceğimizi şekillendirecek hatta çağımızın endüstriyel devrimi sayılabilecek olması yadsınamaz bir gerçektir. Daha şimdiden nanobiyoteknoloji adı altında nano boyutta üretilen taşıyıcılar yardımı ile ilaç salınımı,[9] nanoparçacıklar kullanılarak kanser tanı ve tedavisi,[10] biyonano yüzey teknolojisi ile doku iskelelerin hazırlanması ve doku oluşumu yapılabilmektedir.[11] Gelecekte nanobiyoteknolojiden, gen verileri ve yazılımlarla hastalıkların erken teşhisleri, nano ilaç gelişimleriyle insan ömrünün uzaması, nanorobotların hücrelere ulaşıp hücre davranışını denetleme, hücre yenileme ve onarımı yapabilmesi beklenmektedir. Dünya’da enerji tüketimi hızla artmakta aynı zamanda fosil enerji kaynakları artık yeterli gelmemektedir. Bu sebepten dolayı yeni enerji kaynakları arayışı sürmektedir. Enerji üretimi, iletimi ve depolama konusunda nanoteknolojinin ve kuantum esaslarından faydalanılarak limitsiz enerji üretimi hedeflenmektedir. Gelecekle ilgi hepimizin tahayyül ettiği “uçan taşıt” fikri nanomalzemelerin kullanılmasıyla mümkün olabileceğe benziyor.[12] Karbon nonatüpler, grafen ve kompozit nanomalzemeler hafiflik ve mukavemeti bir araya getirerek yüksek yolcu kapasiteli dev uçaklar ile ulaşım sektörüne hizmet edebilecek ve uzay teknolojisi daha düşük maliyetle daha kaliteli ürünler ile karşımıza çıkacaktır.
Referanslar
1. Katsura, S. (2018). Addressing of nanoparticles by using DNA molecules, Nanoparticle Technology Handbook (3. Baskı) (s.423-426)
2. Vollath, D. (2013). Nanomaterials. Weinheim: Wiley-VCH Verlag.
3. Kumar, H. and Xavior, M., 2014. Graphene Reinforced Metal Matrix Composite (GRMMC): A Review. Procedia Engineering, DOI: 10.1016/j.proeng.2014.12.381
4. Attaf, B. (2016). An Eco-Approach to Boost the Sustainability of Carbon Nanotube-Based Composite Products, Research and Innovation in Carbon Nanotube-Based Composites.
5. Freestone, I., Meeks, N., Sax, M. and Higgitt, C., 2007. The Lycurgus Cup — A Roman nanotechnology. Gold Bulletin, DOI: 10.1007/BF03215599
6. Ellison, M., (2013). Biomimetic Textiles. Engineered Biomimicry, (s.247-265)
7. Barberoglou, M. (2009). Laser structuring of water-repellent biomimetic surfaces. SPIE Newsroom.
8. Autumn, K. and Gravish, N., 2008. Gecko adhesion: evolutionary nanotechnology. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, (s.1575-1590)
9. Farokhzad, O. and Langer, R.(2009). Impact of Nanotechnology on Drug Delivery, DOI: 10.1021/nn900002m CCC: $40.75
10. Chen, T., Ren, L., Liu, X., Zhou, M., Li, L., Xu, J. and Zhu, X., 2018. DNA Nanotechnology for Cancer Diagnosis and Therapy, International Journal of Molecular Sciences, DOI: 10.3390/ijms19061671
11. Shafiee, A. and Atala, A. (2017). Tissue Engineering: Toward a New Era of Medicine. Annual Review of Medicine, (s.29-40)
12. Baykara, T., 2016. Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru. Ankara: Nobel Akademik Yayıncılık, (s.409-425)