Nanoteknoloji, fırsatlar ve tehditler

Prof. Dr. Fevzi YILMAZ / İstanbul AREL Üniversitesi Öğretim Üyesi

Nano bu, nano şu, nano diğeri! Google'da sörf yapın ve nano teknolojiyi tıklayın. 1 milyonu aşkın sonuç(bağlantı) komutu ekrana çıkar. Nanomalzemeyi tıklarsanız 200 bine yakın sonuç ile karşılaşırsınız. Bugün, hemen her alan ve uygulama nanoteknoloji ile ilişkilendirilmektedir.

1-100 nanometre (nm) arasındaki boyutlarda malzemelerin özelliklerini inceleme, anlama ve kontrol etme eylemleri ardından ürün ve cihaz üretme teknolojisine nanoteknoloji denir. Kısacası, birçok bilim dalının birleşerek, birbirine destek vererek, yukarıdaki tanıma uygun araştırma geliştirme yapmasıdır. Bu bilim dalları malzeme bilimi, fizik, robotik, kimya, biyoloji, metalurji mühendisliği, makina mühendisliği, tekstil mühendisliği, elektronik mühendisliği ve bunların alt dalları olabilir. Nanoteknoloji, şimdiki bilim dallarının nanoseviyeye inerek orada araştırma yapması olarak da görülebilir. Nanometre, metrenin milyarda biridir.

Bu alan, ulusların ve şirketlerin en çok destekledikleri Ar-Ge alanıdır. Nanoteknoloji, yeni uygulama alanları ile fırsatlar sağlamakta ve yaşamı kolaylaştırmaktadır. Diğer yandan, nanoteknoloji çalışanları, ürün kullanıcıları ve çevre bugün tam belirlenememiş bazı olumsuzlukların tehdidi altındadır.

Aşağıda; bu küçük şeylerin şaşırtıcı özellik ve uygulamalarından bir demet sunulmuştur:

Aydınlatmada devrim, nano kuantum noktalar

Aydınlatmada, Edison'un tungsten ampulleri keşfi ( 1878 ) ile insanoğlu çok önemli bir dönemeci aştı. Bu ampuller uzun süre kullanıldı/kullanılmaktadır. Yakın geçmişte; daha az enerji tüketen, dolayısiyle tasarruf sağlayan ve karbon emisyonunu azaltan floresan ampuller devreye girdi. Floresan lambalarını, ışık yayan diyotlar(LEDler) takip etti. LEDler, ışık şiddeti ısınarak yavaşça artan floresanların aksine, hemen parlaklık verip stadyum aydınlatmadan, cep telefonlarımızın yeni mesajını ileten zayıf ışığa kadar geniş alanda kullanıldı.

Daha büyük güç verimi , daha uyumlu ve renk ayarlı ışıklandırma özelliği ile nano kuantum-noktalar (quantum dots) sistemi yeni bir ufuk açmaktadır. Kuantum noktalar birkaç onlu atom veya birkaç nanometre boyutundaki küçük yarı iletken alaşım kristallerinden oluşmuştur. Kristallerde: çinko, kadmiyum, selenyum ve kükürt atomlarının değişen oranları kullanılır. Bu kristaller zayıf ışık veya elektrik ile uyarılırsa, kristal bileşim ve büyüklüğüne bağlı olarak farklı renklerde ışık yayar. Böylece, tasarlanan (istenen) renk ve şiddette ışık elde edilir. Çıkan ışık, insan gözünü yormayan bir ışıktır. Bu yıl pazara çıkarılacak kuantum nokta lambalarının 11 watt'lık gücü tungsten ampulun 70 watt'ına eşdeğer performans sergileyecektir (floresanda ise bu 15 wattır).

Üreticiler kuantum noktalarının hem etkili geri ışık hem de direk ışık gücü vereceğine inanmaktadırlar. 2012'de dünya genelinde 3 ton kuantum noktaları ihtiyacı doğacaktır. Toksik kadmiyum yerine alternatif kuantum nokta elementi bulma çalışmaları sürmektedir. (The Economist, March 6th 2010 Technology Quarterly, p:18)

Araba lastiğinde nanoteknoloji, yakıt ekonomisinde ve emisyonda iyileşme

Bugün itibariyle, Dünya genelinde, yılda 1 milyar araba lastiği üretilmektedir. Lastik teknolojisi 1888'deki atasına, göre günümüzde çok gelişmiştir. Dünyada tüketilen enerjinin beşte biri lastikli araçlar tarafından harcanır ve "dönme dirençli" kalitesiz lastik tekerlekler %4 fazla yakıt tüketir ve bu oranda fazla karbondioksit emisyonunu atmosfere salar. Yakıt ekonomisi için lastiklerde dönme direnci azaltılmalıdır. Çözüm, nanoteknolojidedir.

Lastik iç yüzeyi özel nano kaplama ile sıvanır ve havanın uzun süre kaçmadan lastikte kalması sağlanabilir. Lastik dış yüzeyi ve profili ise "nanokompozit" ilavelerle güçlendirilebilir. 14 ayrı bileşen lastik içinde iyi bir bağ oluşturarak tekerlek rijitliği ve aşınma direncini arttırır. Nanoparçacık lastik ilavelerine nanopren denmektedir. Bu küçücük partiküller polimer stren ve butadienden üretilmektedir. Stren butadien ve silikon normal lastiklerin ana yapanıdır ve kaba moleküllüdür. Nano kompozitlerde bu girdiler çok küçük boyuttadır ve nanometrik parçaçıklar yüksek bağlanma gösterir. Fiyat artışı lastik başına 5 $'dır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda, araba lastiğine gıda kompostoları (Portakal kabuğu ve yağı gibi) ilavesi de yapılmaktadır. Girdilerin %80'i petrol dışı olabilir ve en yeşil ürün (çevreci) elde edilmiş olur. (The Economist, March 6th 2010 Technology Quarterly, p:1)

Çelik kadar güçlü karbon nanotüp takviyeli fiberglas tekne ve yatlar

Fiberglasların (Cam fiber takviyeli polyester kompozit) en büyük iki zaafı düşük yorulma dayanımı ve düşük noktasal darbe direncidir. Özellikle tekrarlı yüklemelerde (yorulmada) zamana bağlı olarak laminasyon (plakalaşma) oluşmaktadır. Özellikle su, plastik (polyester veya epoksi) matris ile cam fiber ara yüzey yapışmasını bozmakta, ayrılan tabakalaşmış yapı ortaya çıkmaktadır. Şimdiye kadar birçok araştırmacı bu problemi çözmek için uğraş versede olumlu sonuç elde edilememiştir. MIT (Massachussets Teknoloji Enstitüsü)'den Michael Demkowicz ve Brian Wardle tarafından yapılan çalışmalar, kompozitte kullanım sırasındaki lamelleşmeye çözüm umudu doğurmuştur. Klasik kompozitlerde plastik reçine içerisinde gömülmüş olan örgülü cam fiberlerin zaman içinde matrise yapışması düşmekte ve kullanım sırasında plakalaşmaya yol açmaktadır. MIT'de yapılan araştırma nano boyuttaki partiküllerin (karbon) üretim sırasında kompozit harmana katılması sonucu yapışmanın arttığını, mukavemet ve performans değerlerinin katlanarak (x50) yükseldiğini göstermiştir. (The Economist, July 4th 2009 , p:71; The Economist, June 6th 2009 Technology Quarterly, p:11) 

Motor soğutma teknolojisinde nanomalzemeler

Nanoparçacıklar suya ilave edildiğinde, suyun termal iletkenliği % 60 kadar artar ve su kendisi ile kontak halindeki öğeyi daha hızlı soğutur. Bu, daha az sıvı ile soğutma, soğutma için daha az alan harcama veya daha az pompaj maliyeti demektir. Nanosıvı soğutma 20 yıldır bilinmekte olup , günümüzde laboratuardan çıkıp endüstrileşme yolundadır. Sorun, olumlu sonuç veren labotatuar boyutunun fabrikalaşmaya ne kadar elverişli olduğudur. Fabrika boyutu sorun oluşturmaz ise çok önemli avantajlar ortaya çıkacaktır. En basit sonuç oldukça yüksek olan soğutma maliyetinin düşmesidir. Örneğin AB'de toplam elektrik enerji faturasının %7'si soğutmaya gitmektedir. Sıcak ülkelerde, özellikle körfez ülkelerinde oran daha fazladır. Nanosıvı ile bu maliyet kayda değer mertebede azalacaktır. (The Economist, May 29th 2010 , p:84) 

Nanomalzemelerle hasarlı yüzeylerin kendiliğnden tamiri ve paslanmaya son

Dr. Claudia dos Santos (Fraunhofer Enstitüsü) ve Dr. Christian Mayer (Duisburg-Essen Üniversitesi) hasarlı metal yüzeylerin kendiliğinden onarılması için nanoteknolojik çözüm önermişlerdir. Elektroliz tekniği ile kaplanacak (bakır, nikel ve çinko gibi) çelik yüzey önce 100-300 nanometrelik kapsüllerle (içi özel emülsiyon damlacıklı) muamele edilir. Emülsiyon akrilik karışımı olup tamir bileşiği içeren yağlardan meydana gelmiştir. 3 değerli kromat, en önemli tamir bileşiği olup kullanım sırasındaki hasarda patlayan kapsülden yayılır ve metal atomu ile reaksiyona girer, birkaç nanometer kalınlığında tok ve koruyucu film oluşturur. Bu film koruyucu tabaka görevi görür ve hasarı ilerletecek olan oksijen ve diğer korozyon yapıcılarının ana metale ulaşmasını önler. Araştırmacılar, nanoteknolojik çözümün birkaç yıl içinde hayata geçeceğini belirtmektedirler. Bu çalışmalarla; kendini tamir eden yüzey yanında, kayganlık veya yapışma sağlayan nanometrik film oluşturma projeleri de gündeme gelecektir. (The Economist, June 12th 2010 Technology Quarterly, p:6)

Buğu tutmayan nanokaplamalı camlar

Rutubetli ve sıcaklık farkı olan yerlerdeki cam yüzeylerinde (otomobil camı, gözlük camı, ayna ve mercekler) sıvı habbecikleri ve kaplamaları oluşur. Sıcak banyo alın aynada kalın bir buğu tabakası oluşur, kendinizi göremezsiniz. Sıcak rutubetli hava soğuk yüzeye temas ederse, su buharı kondanse olur (yoğuşur), yüzeyde binlerce su damlası oluşur, ışık farklı yönlerde kırılır, görüntü ve şekil yok olur.  Araba camının buğu tutması en tehlikeli olanıdır ve bu ölümcül kaza sebeplerinden biridir. Muhtelif metotlarla - püskürtme, malzeme ve ısıtma - bu probleme kısmi çözüm üretilmiştir. Kalıcı çözüm buğu tutmayan nanokaplamadadır.

Dr. Junhui He ve arkadaşları (Çin Bilimler Akademisi) ucuz buğu tutmayan bir kaplama geliştirmiştir (1 metrekare yüzey kaplama birkaç sent). Cama püskürtülen nano partikül kaplama yüzeye gelen su damlasının yüzey gerilimini düşürür. Yüzeyde su habbecikleri yerine çok ince su filmi oluşur. Damlacıklar, ışığı kırarken, bu filmler geçirgendirler. Oksijen ile reaksiyona sokulmuş polistrin kürecikler silika ile kaplanıp çilek benzeri yüzey profili elde edilir. Cama sürülen bu yüzey yapısı buğu tutmaz. Bu sistemin hızla ticarileşmesi beklenmektedir. ( The Economist, June 13th 2009 , p:81)

Sonuç

Küçük nanopartiküllerin şaşırtıcı özellikleri büyük umutlar doğurur ve bunlardan birkaçı yukarıda verilmiştir. Gerçektende, nanoteknoloji, yeni uygulama alanları ile fırsatlar sağlamakta ve yaşamı kolaylaştırmaktadır. Nanomalzeme kullanımı ekonomik fayda da sağlayacaktır. Fayda değeri yanında nanoteknoloji çalışanları, ürün kullanıcıları ve çevre için bugün tam belirlenememiş bazı olumsuzluklar vardır. Fakat kimse onların ne kadar güvenli olduğunu bilmez. Örneğin bakır metali normalde düktildir (yumuşaktır), nanomalzeme bakır ise serttir. Altın normal şartlarda reaktif değildir, nanoparçacık altın ise reaktiftir. Grafit mükemmel güvenli bir malzemedir, ama nanoparçacık grafit ise güvensizdir. Nanoparçacıklar insan bünyesine ve çevreye çok hızlı yayılır. Onlarca nanometre boyutlu parçacıkları standartlaştırma, saflıklarını kontrol etmek kolay değildir. Büyük soru, ömürleri dolduktan sonra nano parçacıkların ne olacağıdır. Diğer soru, araştırmacıların ve bilim çalışanlarının toksik etkiden nasıl korunacaklarıdır. Kullanıcıların bilinçlendirilmesi ise bir diğer önemli konudur.