Nanobilim ve Nanomalzemeler PDF

## Nanobilim Nanomalzemelerle ilgili benzersiz özelliklerle ilgilenen bir disiplindir. Nanobilim aslında nesnelerin/parçacıkların ve olgularının, 1 ila 100 nm arasında değişen çok küçük bir ölçekte incelenmesidir. *"Nano", metrik sistemdeki bir boyut ölçeğini ifade eder. 1 nm= 10^-9 m at...

## Nanobilim Nanomalzemelerle ilgili benzersiz özelliklerle ilgilenen bir disiplindir. Nanobilim aslında nesnelerin/parçacıkların ve olgularının, 1 ila 100 nm arasında değişen çok küçük bir ölçekte incelenmesidir. *"Nano", metrik sistemdeki bir boyut ölçeğini ifade eder. 1 nm= 10^-9 m atomlar ve moleküller dünyasında bir boyuttur sıralanmış 10 hidrojen atomu yaklaşık 1 nm'dir. 1 ila 100 nm arasında değişen büyüklükteki partiküller, nanomalzemelerin yapı taşıdır.* ## Nanomalzemeler En az bir boyutu yaklaşık 100 nm'den küçük olan bir dizi madde olarak tanımlanabilirler. Bununla birlikte, çevre, sağlık ve tüketicinin korunması gibi bazı alanlardaki kuruluşlar, nanomalzemeleri tanımlamak için 0,3 ila 300 nm arasında daha geniş bir boyut aralığını tercih etmektedir. Bu daha geniş boyut aralığı, daha fazla araştırma yapılmasına ve tüm nanomalzemelerin daha iyi anlaşılmasına olanak tanır ve ayrıca herhangi bir nanomalzemenin insan sağlığı için endişe kaynağı olup olmadığını ve hangi boyut aralığında olduğunu bilmeyi sağlar. Fullerenler, karbon nanotüpler ve grafen gibi nanokarbonlar, nanomalzemelerin mükemmel örnekleridir. ### The Scale of Things - Nanometers and More | Things Natural | Things Manmade | |---|---| | Dust mite 200µm | Head of a pin 1-2 mm | | Fly ash | Ant 1,000,000 nanometers = ~5 mm | | Human hair 10-20µm | Microwave 10⁴m | | Red blood cells (~7-8µm) | Infrared | | Pollen grain | Red blood cells 1,000 nanometers = | | ~10 nm diameter ATP synthase | Visible | | DNA ~2-1/2 nm diameter | Ultraviolet | | Atoms of silicon spacing 0.078 nm | Soft x-ray | | | Carbon nanotube ~1.3 nm diameter | | | Carbon buckyball ~1 nm diameter | ### Nanoteknoloji: nanometre cinsinden ölçülen en az bir boyutu olan atomik veya moleküler ölçekte tasarlanmış fonksiyonel yapıların inşası ve kullanılmasıdır. **Boyutları nedeniyle gelişmiş fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler sergilerler.** Bu nedenle nanoteknoloji, en az bir boyutta yaklaşık 1-100 nm'de ölçülen ölçeklerde atomik, moleküler ve supramoleküler seviyelerde maddenin ölçülmesini ve manipüle edilmesini içeren araştırma ve geliştirme olarak tanımlanabilir. ### Nanobilim: moleküler ve mikron boyutu arasındaki uzunluk ölçeklerinde maddenin manipülasyonu ve karakterizasyonu ile ilgilenen fizik, kimya, malzeme bilimi ve biyolojinin bir birleşimidir. ### Nanoteknoloji: ürünler için nanobilimden yöntemler uygulayan bir disiplinidir. ## NANOÖLÇEĞİN EŞSİZLİĞİ Nano ölçekte, fizik yasaları iki önemli nedenden dolayı alışılmadık bir şekilde işler: * yüksek yüzey-hacim oranı ve kuantum etkisi. Nano boyutun özel olmasının temel nedenlerinden: yüzey-hacim oranındaki çarpıcı artış Yapı bloklarının boyutu küçüldüğünde, malzemenin yüzey alanı artar. Örneğin, herhangi bir malzemenin 1 m³'ünü 1 nm'lik parçacıklara ayırmak, toplam birleşik yüzey alanını 6'dan 60.000.000 m²'ye çıkarır, bu da yaklaşık 10 milyon kat daha fazladır. ![Diagrams of cubes] Nano ölçekli malzemelerin bir diğer önemli özelliği, maddenin **kuantum mekaniksel özelliklerinin kütle özelliklerine baskın olmasının mümkün olmasıdır.** Bunun bir örneği, birçok yarı iletken malzemenin "nano hale geldikçe" optik özelliklerindeki, örneğin foto-emisyondaki değişimdir. Optik özellikleri ilgi çekici olmayan bir malzemenin, boyutunu nano ölçeğe değiştirerek, malzemenin rengi kontrol edileibilir. Bu etki **kuantum hapsi (quantum confinement)** nedeniyledir. ![Quantum dots] Bu özelliklerin her birinin önemli sonucu, **malzeme ve cihazların özelliklerini ayarlamak için tamamen yeni yöntemler sunmalarıdır.** Nanoteknoloji, malzemeler ve cihazlar hakkında benzeri görülmemiş bir anlayış sağlayabilir ve birçok alanı etkilemesi muhtemeldir. Nano ölçekte yapıyı ayarlanabilir bir fiziksel değişken olarak kullanarak, mevcut kimyasalların ve malzemelerin performans aralığını büyük ölçüde genişletebiliriz. Nanobilim ve nanoteknoloji, son yirmi yılda dünya çapında hızla büyüyen araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin geniş ve disiplinlerarası alanlarıdır. Nanoteknoloji, gelecekte katlanarak artacak önemli bir ticari etkiye sahip. ## Nanobiyoteknolojide Malzemeler Aşağı kısımlarda kurallar farklı... Malzemelerin özellikleri, boyut ve ölçek azaldıkça ve moleküler ve atomik dünyaya yaklaştıkça değişir. * Yüzeyler daha büyük hale gelir, * yüzey enerjisi artar, * elektronlar küçük alanlarda sıkışık * metalik nanomalzemeler, metal oksitler, kuantum noktaları, karbon nanomateryalleri, (biyo)polimerik/organik nanopartiküller | Nanomaterials | Typical representatives | Characteristic property | |---|---|---| | Noble metal nanoparticles | Au, Ag, Cu, Pt | Surface plasmon | | Metal oxides | SiO₂, TiO₂, Fe₃O₄ | Superparamagnetism, photocatalysis | | Quantum dots | CdS, CdSe, CdSe-ZnS, | Fluorescence, photocatalysis | | Carbon nanomaterials | Nanotubes, graphene, nanodiamonds | Biocompatibility, conductivity | | (Bio)polymer-based nanoparticles | Polysaccharides (chitosan, cellulose), man-made polymers | Adaptability, soft materials, biocompatibility | | Others i.e. supramolecular structures, porous materials | Metal organic frameworks, mesoporous silica | Porosity, loading capacity, large surface area | ## Nanoölçek -------- Yığın (Bulk) ### Top down Nanoölçekli malzemeler, küçük boyutları nedeniyle “bulk" bir malzeme yerine molekül gibi davranma eğilimindedir. ### Bottom up * Yüzey etkileri ve kuantum sınırlama, **fiziksel ve kimyasal özellikleri belirler;** * bunlar arasında artan katalitik aktivite, ayarlanabilir floresans, yüzey plazmonları ve manyetik özelliklerde ve iletkenlikte değişiklik bulunmaktadır. **Parçacık ne kadar küçükse, yüzeyindeki atom sayısı o kadar fazla** Bu tür bir sistem, yüzey enerjisini minimize edebilecek diğer türleri bağlama veya çeşitli etkileşimlere girebilme eğilimindedir, bu da nanoboyutlu sistemleri mükemmel katalizörler yapar. Atom dünyasına yaklaştıkça, **kuantum boyut etkileri önemli bir rol oynamaya başlar.** <start_of_image> *(a) Excitation Band shift (b) Increasing size yarı iletken kuantum noktaları durumunda, ışığın absorbsiyonu ve yayılması nanopartikül boyutuna güçlü bir şekilde bağlıdır.. Foton, uygun miktarda enerji ile kuantum nokta nanopartiküle çarptığında, elektron değerlik bandından iletken banda çıkar. Yayılan dalga boyu, bant boşluğu enerjisine bağlı olacak ve bu da nanopartikülün boyutuna bağlı olacaktır. kuantum noktalarının floresans emisyonu, boyutlarını kontrol ederek ayarlanabilir nm 400 450 500 550 600 650 700 700 karbon nanomalzemeler Bu malzemeler: Grafen, ince bir grafitik karbon tabakası ve karbon nanotüpleri (CNT) gibi bu malzemeler olağanüstü termal ve elektronik iletkenliklere sahiptir. Karbon nanotüplerin hem metal hem de yarı iletken gibi davrandığı ve hatta iki durum arasında geçiş yapabildiği gösterilmiştir 2d Graphene 1d 3d 100 Fullerence Nanotube Graphite 8 ( a) fulleren; (b) kuantum noktası; (c) metal küme Zero-dimensional (OD) assembly (a) (b) (c) (d) karbon nanotüp; CCCCCCCC (e) metal oksit nanotüp; One-dimensional (1D) assembly (d) (e) (f) grafen; LLLLLLL (g) metal oksit nano-kemer; Two-dimensional (2D) assembly (f) (g) (h) nanoelmas; (i) metal organik çerçeveler (MOF'ler). Three-dimensional (3D) assembly (h) (i) Nanomalzemelerde değişken boyutluluğu gösteren tipik örnekler 0-D All dimensions (x,y,z) at nanoscale I d ≤ 100 nm Nanoparticles 1-D Two dimensions (x,y) at nanoscale, other dimension (L) is not d ≤ 100 L nm Nanowires, nanorods, and nanotubes y -X 10 10 )* Farklı nanomalzemeler sıklıkla OD, 1D ve 2D malzemeler olarak anılır. 0, 1 ve 2 rakamlarının kaç boyutun "nano boyutta olmadığını" tanımladığını hatırlamak önemlidir. Bu, OD malzemelerin nano ölçekte üç boyutun tümüne sahip olacağı anlamına gelir; örneğin farklı şekillerdeki nanopartiküller gibi (a) (b) (c) 1D malzemelerin nano ölçekte olmayan bir boyutu (genellikle uzunluk) vardır ince filmler gibi 2D malzemelerin nano ölçekli olmayan iki boyutu vardır. Örneğin, grafen genellikle bir ila üç atom katmanı kalınlığındadır ancak daha büyük/geniş tabakalar halinde üretilebilir ve 2 boyutlu bir malzeme olarak kabul edilir. Nanoyapılar, nanoküre, nanotüpler, nanoçubuk, nanotel ve nanobelt (kemer)'i içeren belirli bir düzende (paternde) nanometre ölçeğiyle bir araya getirilmiş bir, iki veya üç boyutlu nanomalzemelerden oluşan düzenli sistemlerdir. 9