Nanoteknoloji Nedir?

Nanoteknoloji, 1 ile 100 nanometre arasında değişen boyutlarda yapılan bilim, mühendislik ve teknoloji çalışmalarına verilen isimdir.

Yukarıdaki fotoğraf nanoteknolojinin babası olarak anılan Fizikçi Richard Feynman’a ait.

Nanobilim ve nanoteknoloji, kimya, biyoloji, fizik, madde bilim ve mühendislik gibi alanlarda uygulamaları yapılan, çok küçük ölçekte yapılan çalışmalar bütünüdür.

Nanoteknoloji Nasıl Ortaya Çıktı

Nanobilim ve nanoteknoloji fikri ve konsepti, nanoteknoloji teriminin ortaya çıkmasından çok zaman önce, 1959 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde (CalTech) düzenlenen Amerikan Fizik Topluluğu toplantısında “Aşağıda Daha Çok Yer Var” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”) başlıklı konuşmasında, fizikçi Richard Feynman tarafından gündeme getirildi. Feynman konuşmasında, bilim insanlarının her bir atom ve molekülü ayrı ayrı kontrol edebilecek bir sürecin varlığından söz etti. Bu başlangıçtan yaklaşık on yıl sonra, Profesör Norio Taniguchi, ultra hassas işlemler alanında yaptığı buluşların ardından nanoteknoloji terimini dünyaya kazandırdı. Nanoteknoloji 1981 yılında, taramalı tünel mikroskobu sayesinde her bir atomun görülebilmesi ile temel kazandı.

Nanobilim ve Nanoteknolojinin Temel Konseptleri

Yukarıdaki Fotoğraf, Ortaçağda nanoteknolojinin kullanımı olarak yorumlanmaya müsait bir işlemeli camı gösteriyor.

Bahsi geçen nanoteknolojinin aslında ne kadar küçük boyutlarda yapılan bir çalışma olduğunu tahayyül etmek oldukça güç. Bir nanometre, metrenin milyarda birine tekabül ediyor ki bu da 10-9 ile çarpımı anlamına geliyor. Birkaç örnek ile açıklamak gerekirse;

1 santimetre, 64 milyon 516 bin nanometreye eşittir.

Bir yaprak kağıdın kalınlığı yaklaşık 100 bin nanometredir.

Karşılaştırmak istersek; bir bilyenin bir nanometre çapında olduğu varsayılırsa, bir metre dünya kadar boyutta olacaktır.

Nanobilim ve nanoteknoloji, atom ve molekülleri görme ve kontrol etme becerisine sahiptir. Yediğimiz yemekler, giydiğimiz kıyafetler, yaşadığımız binalar, evler ve hatta vücudumuz da dahil olmak üzere, dünya üzerindeki her şey atomlardan oluşmaktadır.

Fakat atom gibi fazlasıyla küçük bir yapıyı çıplak gözle görmek imkansızdır. Dahası, bu parçacıkların ortalama bir okul laboratuvarında kullanılan mikroskoplarla da görülmesi olanaksızdır. Nano boyuttaki cisimleri görebilmemize imkan veren mikroskop, nispeten yeni bir keşif sayılabilir ve yaklaşık 30 yıl önce icat edilmiştir.

Bilim insanları Taramalı Tünel Mikroskobu (STM) ve Atomik Güç mikroskobu (AFM) gibi gerekli araçlara sahip olduktan sonra, nanoteknoloji çağı başlamış oldu.

Modern nanobilim ve nanoteknoloji yeni alanlar olsa da, maddelerin nano ölçekte kullanımı yüzyıllar öncesine kadar uzanıyor. Farklı boyutlardaki altın ve gümüş parçacıkları, ortaçağ döneminde kiliselerin camlarını renklendirmek için kullanılıyordu. O dönemin sanatçıları, bu muazzam sanat eserlerini yaratmak için uyguladıkları işlemin, maddenin yapısında değişikliklere neden olduğundan habersizdi.

Günümüz bilim insanları ve mühendisleri, bu maddeleri nano ölçekte değerlendirerek onlardan en yüksek faydayı sağlamanın yollarını bulmayı başardı. Bu süreçte maddelerin güçlerini, dayanıklılıklarını, ağırlıklarını, ışık spektrumlarını artırıp daha büyük hallerine nazaran kimyasal tepkimelere daha hızlı girmelerini sağlamayı başardılar.

Nanobilimden Nanoteknolojiye

Tüm bu bahsettiğimiz teknoloji ve gelişmeler oldukça ilgi çekici ve etkileyici fakat ne işe yaradıklarını anlamak için biraz daha derinden incelemek gerekiyor. Gündelik hayatlarımız temelde metrelik ölçekte ve bu hayatı binlerce kat küçülterek yaşamayı tahayyül etmek neredeyse imkansız. Nano ölçekteki dünyada, AIDS, dünya üzerindeki açlık ve yoksulluk ya da küresel iklim değişikliği anlamını yitiren problemler haline geliyor. Öte yandan, atomların, moleküllerin, protein ve hücrelerin hüküm sürdüğü nano ölçekteki dünyada, bilim ve teknoloji tamamen farklı bir anlam kazanıyor.

Nano ölçekte bakıldığında, dünyamızda sorunlara neden olan şeylerin aslında atom ve moleküllerden meydana geldiği görülebiliyor. Televizyonlarda sıklıkla yapılan, dünyanın uzaydan görünümü ile başlayıp hızla ve gittikçe büyüyen bir ölçekte yaklaşması ve sonunda birinin evinin arka bahçesini görmeniz gibi düşünün. Dünyaya bakarken yerin yeşil olduğunu görürsünüz çünkü geneli yeşil çimle kaplıdır. Daha da yaklaştığınızda bu çimin üzerindeki kloroplast, bitkinin içerisindeki güneş ışığını enerjiye çeviren yeşil kapsülleri görürsünüz. Daha da yaklaşmaya devam ederseniz de, kloroplastın içerisinde öbek öbek duran ve karbon, hidrojen ve oksijenden meydana gelen moleküller karşınıza çıkar. Bu noktada nano ölçek ile nanobilim uygulamaları gerçek olabilir. Nanobilim, çevremizde tanık olduklarımızın neden olduğunu anlamamız için, olabilecek en küçük ölçekte incelememize izin verir. Nanobilimi anlamaya başladığımızda ise nanoteknoloji için kolları sıvayabiliriz. Nanoteknolojiyi kullanarak yaşadığımız sorunlara çözüm yolları bulabiliriz. Teknoloji yani uygulamalı bilimleri de, her şeyi sadece anlamak için inceleyen bilimden ayıran en önemli özellik de bu çözüm odağıdır.

Nanoteknolojiyi Özel Kılan Nedir?

Nanoteknoloji ile ilgili oldukça ilgi çekici bazı detaylar bulunuyor. Birçok madde atom ve molekül boyutlarından normalden farklı davranışlar sergiliyor. Örneğin nano ölçekte bakır transparan özellik kazanırken, normalde etkileşime girmeyen altın, nano ölçekte kimyasal tepkimeye yatkın hale geliyor. Karbon, grafit formunda yumuşak bir malzeme iken, nanotube denilen nano ölçekte sıkışık bir şekilde hizalandığında oldukça sert bir malzeme haline geliyor. Farklı bir şekilde özetlemek gerekirse, maddeler nano ölçekte farklı fiziksel özelliklere kavuşuyorlar. Nano ölçekte atom ve moleküller daha rahat hareket edebildiği için, bu maddelerin kimyasal özelliklerinin değişmesi de mümkün oluyor. Nano parçacıkların diğer nano parçacıklarda temas yüzeyi de fazla olduğundan, kimyasal tepkimeleri hızlandırmaya yarayan katalistler olarak da iyi bir iş görebiliyorlar.

Bahsettiğimiz bu farklılıkların meydana gelmesindeki bir neden de, nano ölçekte farklı faktörlerin önemli hale geliyor olması. Gündelik hayatta yer çekimi karşımıza çıkan en önemli güçtür ve çevremizdeki her şeyi bizimle birlikte etkiler. Yer çekiminin, saçlarımızın aşağı doğru sarkmasından, iklimlerin oluşumuna kadar hemen her şey üzerinde etkisi vardır. Fakat nano ölçekte yer çekimi, atom ve moleküller arasındaki elektromanyetik çekim gücünden çok daha önemsiz hale gelir. Termal titreme (atom ve moleküllerin hareket ile ısı depolaması) de bir o kadar önemli hale gelir. Özetle, nano ölçekte bilimin kuralları tamamen farklıdır.

Nano Ölçekte Çalışma

Ortalama bir insan parmağı milyonlarca nano metre uzunluğunda olduğundan, çıplak elle atomları tutmaya ve taşımaya çalışmanın bir anlamı yoktur. Bu kilometrelerce uzunlukta bir çatalla yemek yemeye çalışmak gibi bir iş olur. Neyseki, bilim insanları şaşırtıcı bir icat olan elektron mikroskobunu geliştirmeyi başardı. Bu mikroskop sayesinde nano ölçekteci cisimleri görebiliyor ve manipüle edebiliyoruz. Bu elektron mikroskoplarına Atomik Güç Mikroskopları (atomic force microscopes (AFMs)), tarama probu mikroskopları (scanning probe microscopes (SPMs)) ve taramalı tünel mikroskopları (scanning tunneling microscopes (STMs)) adı veriliyor.

Elektron mikroskobunun temel çalışma prensibi, ışık huzmesi göndererek görülmesi mümkün olmayacak kadar küçük parçaları görmek için elektron hüzmeleri göndermektir. Nanoskopik mikroskop ise daha da küçük maddeleri görmek için elektronik ve quantum etkilerini kullanır. Bu tür mikroskopların ucunda küçük bir de probe bulunur. Bu probe sayesinde Lego tuğlaları gibi atomlar ile oynanabilir ve istenilen şekilde hizalanabilir. 1989 yılında, IBM’de görev yapan araştırmacı Don Eigler, bu tür bir mikroskop kullanarak atomları I-B-M yazacak şekilde dizmeyi başardı. Başka bilim insanları da, aynı yöntemi nano ölçekte gitar, kitap ve benzeri şeylerin resimlerini oluşturacak şekilde dizmeyi başardı. Bu uğraşlar aslen insanları nanoteknolojinin gücü ile etkilemeyi amaçlayan boş uğraşlar olarak görülebilir. Öte yandan bu çalışmalar dışında da birçok faydalı girişim tarihe geçmeyi başardı.

Nanoteknolojinin Kullanım Alanları

Nano teknolojinin faydalarının çoğunu gelecekte göreceğiz fakat şimdiden bazı alanlarda yardımımıza koşmaya başladı bile.Muhtemelen içerisindeki teknoloji kelimesi nedeni ile nanoteknoloji denilince aklımıza yeni ve yabancı bir şey gelse de, hayatın kendisi bu kavrama örnek olarak gösterilebilir. Zira proteinler, bakteriler, virüsler ve hücreler nano ölçekte faaliyet gösteren varlıklardır.

Nano Materyaller

Hali hazırda nano teknolojiyi kullanıyor olabilirsiniz. Belki nanoteknolojiye sahip pantolon ya da ayakkabı giyiyorsunuz, belki gece nano teknoloji ile üretilen çarşaflarda yatıyorsunuz, belki de seyahatlerinizde nano teknolojili valiz ile yolculuk ediyorsunuz. Tüm bu ürünlerin kumaşları nano ölçekte kaplanıyor. Üst katmandaki bu minik katman sayesinde kir altlara geçemiyor ve alttaki katmanlar temiz kalıyor. Bazı güneş kremleri de nano teknolojiyi aynı mantıkla kullanıyor. Bu ürünler cildinizin üzerinde nano ölçekte titanyum dioksit ve çinko oksit katmanı oluşturarak güneşin zararlı ışınlarını engelliyor.Nano kaplamalar, arabaların tamponlarını korumak, paslanma önleyici boyalar üretmek ve benzeri şeyler için de kullanılıyor.

Karbon nanotubeler nano materyaller arasında en dikkat çekenleridir. Bu çubuk şeklindeki karbon molekülleri, yaklaşık bir nanometre genişliğide. İçleri boş olsa da, bu çubukların yüksek yoğunluktaki yapısı, onları oldukça sert bir hale getirdiği gibi, hemen her şeyin içerisinde de kullanılabilir olmasına izin veriyor. Yakın zaman önce NASA’da görev yapan bilim insanları, dünya yüzeyinden uzaya yapılabilecek bir asansör sisteminde bu karbon nanotubelerin kullanılabileceğini belirtti. İnsanlar ve gerekli malzemeler bu karbon nanotube asansör sayesinde yavaşça uzaya çıkarılıp indirilebilir. Üstelik bu sayede uzaya roket fırlatmak için harcanan para ve zamandan da tasarruf edilebilir.

Nano Çipler

Nano teknolojinin hemen herkes tarafından kullanılan bir uygulama alanı da mikro elektroniktir. Bu tanımdaki “mikro” kelimesi, bilgisayarlar tarafından kullanılan mikroskopik ölçekteki çipleri temsil eder. 1970’li yıllarda hayatımıza giren mikroçip kavramı, daha sonraları mühendisler tarafından geliştirilerek kartlar üzerine daha fazla transistör yerleştirilebilmesine ve bu sayede daha küçük, daha hızlı ve daha ucuz bilgisayar yaratılmasına imkan sağladı. Moore Kanunu adı ile anılan bilişimdeki bu sabit ilerleme, nano teknoloji sayesinde, gelecekte de devam edebilecek. 21. yüzyılın başlarındaki transistörler yaklaşık 100 ile 200 nanometre ebatlarındayken, yapılan uç deneyler ile boyutlar çok daha küçük bir hal almaya başladı. 1998 yılında ise, bilim insanları sadece bir karbon nanotube ile transistör yapmayı başardı.

Nano teknoloji sadece bilgisayarların içerisindeki çiplerde kullanılmıyor. iPod’lardan akıllı telefonlara, dizüstü bilgisayarlardan televizyonlara, görüntü aktaran hemen her cihaz “Organik Işık Emici Diyot” yani OLEDs teknolojisine geçiş yapıyor. Bu OLEDs teknolojisi de nano ölçekte ince plastik tabakaların oluşturulması ile ortaya çıkıyor.

Nano Makineler

Nano teknolojinin en heyecan verici olasılıklarından birisi de, tek bir atomdan yola çıkarak dişli, anahtar, pompa ya da motor olmak üzere oldukça küçük makineler yaratabilme fırsatı. Bu nano makineler sayesinde bir gün nano robotlar ya da daha fazla kullanılan adlarıyla nanobotlar yaratılması ihtimali bulunuyor. Bu nanobotlar, vücudumuza enjekte edilebilecek kadar küçük ve hasarlı dokuları onarabilecek beceride olabilir. Dahası, bu nanobotlar, kullanılmayan nükleer santrallerin temizliği gibi amaçlarla tehlikeli ve zararlı bölgelere gönderilebilir. Hemen her konuda olduğu gibi, burada da insan doğayı taklit ediyor. Bilim insanları doğada görev yapan sayısız nano makineyi çoktan keşfetti. Örneğin E.coli adı verilen yaygın bir bakteri türü, yiyeceğe yaklaşmak için kullandığı ve kamçı görevi gören nanoteknoloji ürünü bir uzantıya sahip. Nano makineler üretmek aynı zamanda moleküler üretim ve moleküler nanoteknoloji adları ile de anılmaktadır.

Nano Makineler Nasıl Yapılır?

Makineler, hareketli parçaları, dişlileri ve diğer mekanizmaları olan, bizim için faydalı işler yapabilen aletlerdir. Peki ya bu hareketli parçaları molekül boyutlarında yapmak nasıl mümkün olabilir? Bu aynı bir saati milyonlarca kat küçük bir şekilde yapmaya benzer.

Bahsi geçen boyutlara ulaşmanın bir yolu var. Bazı moleküller düzenli ve simetrik şekillerde olduğundan, pozitif ya da negatif herhangi bir yük taşımazlar. Diğer türde moleküller ise bir parça daha az simetrik olduğundan, bir uçları pozitif diğer uçları da negatif yüke sahiptir. Bu tür moleküllere polar molekül denir ve en bilindik örneği sudur. Su birçok şeye bağlanarak onları temizler, çünkü bir ucu pozitif diğer ucu ise negatif olarak yüklüdür. Bu mantığı, nano makineler inşa etmek için kullanmak da mümkündür.

Bir ucunda pozitif yük olan atom halkalarından oluşmuş bir molekül üzerinde çalışıldığını düşünün. Şimdi de bu molekülün, iki ucunda da negatif yük bulunan bir çubuğa maruz bırakıldığını hayal edin. Pozitif yüklü halka negatif yüklü taraflardan biri tarafından çekilerek hareket ettirilebilir. Daha sonra biraz enerji verilerek bu pozitif yük tekrar diğer negatif yüklü tarafa hareket ettirilebilir. Bu yöntemle pozitif halka ileri geri ya da yukarı aşağı hareket ettirilebilir. Bu fikri genişleterek daha komplike makineler üretilebilir ve ileri geri, yukarı aşağı hareketlerin yanında dairesel ve elektrik motorlarından yapılana benzer hareketler elde edilebilir.

Bu ve benzeri dahice fikirler, 2016 yılında Kimya alanında Nobel Ödülü kazanan Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart ve Bernard Feringa isimli üç bilim insanı tarafından geliştirildi.

Nanoteknolojinin Tarihi

Doğadaki örnekler, nanoteknolojinin hayatın kendisi kadar eski olduğunu gösterse de, nano ölçek ve nanobilim konseptleri ile fayda sağlayabildiğimiz nanoteknoloji nispeten çok daha yeni gelişmelerdir. Yukarıda da kısaca değindiğimiz nanoteknoloji tarihinin atası olarak, Amerikalı fizikçi Richard Feynman gösterilir. Daha önce bahsettiğimiz 1959 yılında düzenlelen toplantı ve sonrasındaki yemekte yaptığı “Aşağıda Daha Çok Yer Var” konuşmasında Feynman, küçük bir dünyanın varlığı ve bu dünyada küçük araçlarla atomların tekrar düzenlenebileceği fikrini ortaya attı. 1974 yılında ise, Japon mühendislik profesörü Norio Taniguchi, bahsi geçen alana nanoteknoloji adını verdi.

Nanoteknoloji 1980’li yıllarda şaha kalktı. Bu yükseliş, nanoteknoloji öncülerinden Dr. K. Eric Drexler’ın “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” adlı kitabının yayınlanması ile başladı. Bu dönemde ayrıca, nano ölçekte molekülleri manipüle etmeye imkan veren mikroskoplar da ortaya çıktı. 1991 yılına gelindiğinde, Japon bilim adamı Sumio Iijima tarafından nanotube keşfedildi ve mühendislikte yeni bir kapı araladı. Kalemlerin yapımı için kullanılan grafit yumuşak bir karbon formudur. 1998 yılında ise, Amerikalı bilim insanları kendileri için karbon nanotube kullanarak yeni bir kalem geliştirdi ve mikroskop altında bu kalemle, sadece 10 nanometre genişliğinde “NANOTUBE NANOPENCIL” yazmayı başardı.

Bu tür numaralar toplumun dikkatini çektiği gibi, nanoteknolojinin politik ortamlarda da ciddiye alınır hale gelmesini sağladı. 2000 yılında dönemin Amerika Birleşik Devletleri Başkanı Bill Clinton, nanoteknolojinin önemini ortaya koyan Ulusal Nanoteknoloji Girişimi adlı programı başlattı. Programın amacı, çığır açan buluşlar için araştırmalar yapmak ve halkın ilgisini çekmekti. 2016 yılına kadar Amerika Birleşik Devletleri hükümetleri, Ulusal Nanoteknoloji Girişimi programına yıllık ortalama bir milyar dolar yatırım yaptı. Yine 2016 yılında Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart ve Bernard Feringa adlı üç bilim insanının kimya alanında kazandıkları Nobel Ödülü ile de, bu teknoloji önemli bir dönüm noktasından geçti. Üç bilim insanına Nobel Ödülü kazandıran çalışma ise, molekülleri makinelere dönüştürmek için ortaya çıkardıkları çığır açan çalışmaları oldu.

Nano Teknolojinin Geleceği: Rüya Mı Kabus Mu?

Dünyanın her yerindeki mühendisler, nanoteknoloji için heyecan içerisindeler. Amerika Birleşik Devletleri’nin önde gelen araştırma enstitülerinden Los Alamos National Laboratory bu konuda şu açıklamayı yaptı: “ Yeni nanoteknoloji konsepti öylesine geniş bir alana yayılmış halde ki,teknoloji ve bilimin hemen her alanını, öngörülemez bir şekilde etkileyecek gibi görünüyor. Nanoteknolojinin toplum üzerindeki toplam etkisi ise, bu yüzyılda keşfedilen silikon devreler, tıbbi görüntüleme, bilgisayar destekli mühendislik ve insan yapımı polimerlerin ortaya çıkardığından daha fazla olacaktır.” Bu açıklama oldukça dikkat çekici zira, 21. yüzyılın nanoteknolojisi, geçen yüzyılda ortaya çıkan tüm önemli teknolojik gelişmelerden daha önemli bir noktada konumlandırılıyor.

Nanoteknoloji yepyeni ufuklar açan bir dünya gibi görünse de, çözüme ulaştırılması gereken birçok endişe de bulunuyor. Bazıları, nano ölçekteki organizmaların ya da makinelerin insanların hayatını ya da doğal yaşamı olumsuz etkileyebileceği endişelerini dile getiriyor. Öncelikle bu küçük parçacıklar, insan sağlığı için zehirli olabilir. Kimse bu yeni nano parçacıkların ve nanomateryallerin zararlı etkilerini tam olarak bilmiyor. Kimyasal tarım ilaçları kullanılmaya başlandığı dönem olan 20. yüzyıl başlarında, bu ilaçların da sağlığa zararlı olduğu bilinmiyordu. Ancak 1960’lı ve 70’li yıllara gelindiğinde gerçek ortaya çıkmıştı. Aynı durum nanoteknolojide de yaşanabilir mi sorusu bu nedenle akıllarda yerini koruyor.

Nano teknoloji ile ilgili en büyük kabu olan “gray goo” problemi, ilk olarak Eric Drexler tarafından dikkatlere sunuldu. İyi niyetli dahi olsa insanlar tarafından yaratılan nanobotlar, atmosfere dağılarak önlerine çıkan her şeyi yiyip bitirir ve geriye sadece “gray goo” adı verilen yığın kalırsa ne olacak? Drexler daha sonra bu iddiasından vaz geçse de, insanlar halen tam olarak anlayamadığımız dünyalarla uğraşmamamız gerektiğini düşünüyor. Öte yandan bu mantığı sahiplenmiş olsaydık, bugüne kadar hiçbir icat hayat bulamaz, hiçbir ilaç geliştirilemez, taşımacılık, tarım ve eğitim yerinde sayardı. Biz de halen taş devrinde yaşıyor olurduk. Buradaki asıl soru: Nanoteknolojinin bize sunabileceği faydaların, potansiyel riskleri göze alabileceğimiz kadar değerli olup olmadıklarıdır. Bu sorunun cevabı, nanoteknolojinin geleceğinin rüya mı kabus mu olacağına karar verecek.