ÖNSÖZ

İÇİNDEKİLER

ŞEKİLLER

ÇİZELGELER

BÖLÜM 1.GİRİŞ

BÖLÜM 2.KARBON NANOTÜP NEDiR?

BÖLÜM 3.KARBON NANOTÜP ÇEŞİTLERİ

3.1.Tek duvarlı karbon nanotüpler

3.1.1.Achiral karbon nanotüp

3.1.1.1.Armchair

3.1.1.2.Zigzag

3.1.2.Kiral karbon nanotüp

3.2.Çift Katmanlı Karbon nanotüpler

BÖLÜM 4. KARBON NANOTÜPLERiN ÖZELLiKLERi

4.1. Karbon Nanotüplerin Kristal Yapıları ve Fiziksel Özellikleri

4.2. Karbon Nanotüplerin Elektriksel Özellikleri

4.3. Karbon Nanotüplerin Mekanik Özellikleri

4.3.1. Karbon nanotüplerin dayanıklılığı

4.3.2. Karbon nanotüplerin esnekliği

4.4. Karbon Nanotüplerin Isısal Özellikleri

4.4.1. Özgül ısı

4.4.2. Isısal iletkenlik

BÖLÜM 5.KARBON NANOTÜPLERİN SAFLASTIRMA İSLEMLERİ

5.1. Oksitlenme

5.2. Asit uygulama

5.3. Isıl islem

5.4. Manyetik saflastırma

5.5. Ultrases ile dagıtma

5.6. Filtreleme

BÖLÜM 6.KARBON NANOTÜPLERİ BÜYÜTME YÖNTEMLERİ

6.1.Katı Halde Karbondan Sentezlenenler

6.1.1.Lazerle Aşındırma Yöntemi

6.1.2. Ark Boşaltma Yöntemi

6.1.3. Solar Fırın Yöntemi

6.2.Gaz Halde Karbondan Sentezlenenler

6.2.1. Kimyasal Buhar Çökeltme (KBÇ, CVD)

6.2.2. Isıl Kimyasal Buhar Çökeltme (IKBÇ, Thermal-CVD)

6.2.3. Plazmayla Güçlendirilmiş Kimyasal Buhar Çökeltme(PGKBÇ, PECVD)

6.2.4. Mikrodalga Plazmayla Kimyasal Buhar Çökeltme(MDPGBÇ, MWPCVD)

6.2.5. Buhar Fazında Büyütme

6.3.Diğer Sentezleme Yöntemleri

6.3.1.Hidrotermal Sentezleme

6.3.2.Elektroliz

BÖLÜM 7. KARBON NANOTÜPLERiN TEKNOLOJİDEKİ UYGULAMA

ALANLARI VE YAPILAN ÇALIŞMALAR

7.1.Günümüzdeki Uygulamaları

7.1.1.Sensörler ve Sondalar

7.1.2.İnce Ekranlar

7.1.3. Elektrik Alan Salımlı Aygıtlar

7.1.4. Enerji Depolama

7.1.5. Elektrokimyasal Aygıtlar

7.1.6. Nanometre-Boyutlu Elektronik Aygıtlar

7.1.7. Mikroskop Probları

7.1.8. Kimyasal Sensörler

7.1.9. Üç Boyutlu Güneş Hücreleri

7.1.10. Nanotüple Alaşımlandırılmış Karbon Fiberler

7.1.11. Ayakkabı Altlığı

7.1.12. Elektrik Kablosu ve Hattı Olarak

7.2.Geleceğe Yönelik Uygulamaları

7.2.1. Bataryalar

7.2.2. Katalizözler

7.2.3. Elektronik Burun

7.2.4. Kanser Tedavisi

7.2.5. Hisseden Teknoloji

7.2.6. Elektronik Devrelerde

7.2.7. Ultrakapasitör

7.2.8. Biyosensörler

7.2.9. Şekil değiştiren uçaklar

7.2.10. Radar Emilimi

7.2.11. Biyosensörler

7.2.12. Hidrojen Depolama

BÖLÜM 8.Sonuç

KAYNAKLAR

ÖZGEÇMiS

ŞEKİLLER

Şekil 1. Karbon atomunun enerji seviyeleri

Şekil 2. Karbonu allotropları

Şekil 3. Tek katmanlı karbon nanotüplerin katlanış şekillerine göre çeşitleri

Şekil 4. TEMmikroskobunda SWNT Görüntüsü

Şekil 5. Tek Katmanlı ve Çok Katmanlı Nanotüpler

Şekil 6. TEMmikroskobunda MWNT Görüntüsü

Şekil 7. Bir nanotüpün açılmış petek örgüsü

Şekil 8. Karbon nanotuplerin kopma dayanımlarının diğer liflerle kıyaslanması

Şekil 9. Manyetik saflastırma için kullanılan düzenek

Sekil 10. Mikrofiltreleme düzeneği

Şekil 11. Ark-boşalım yöntemiyle fulleren üretimi deney sistemi

Şekil 12. Ark yöntemi ile sentezlenmiş çok duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü

Şekil 13. Ark yöntemi ile sentezlenmiş tek duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü

Sekil 14. Grafit hedef ve karbon nanotüpler için sogutulmus toplayıcı kullanılan lazerle

buharlastırma yöntemiyle 1200 oC’ye ısıtılan kuvars tüpte TDNT üretimi

Şekil 15. Lazerle Aşındırma Yöntemi Kullanılarak Üretilmiş Tek Duvarlı KNT’lerin Taramalı

Elektron Mikroskobu(SEM) Görüntüsü

Şekil 16. Kimysal buhar çökeltme sisteminin şematik gösterimi

Şekil 17. Kimyasal buhar çökeltme yöntemi ile elde edilen karbon nanotüpler

Şekil 18. Kimyasal buhar çökeltme yönteminden örneklerin Raman spektroskopi sonuçları

Şekil 19. Isıl Kimyasal Buhar Çökeltme Cihazının Şematik Çizimi

Şekil 20. IKBÇ İşlemiyle Büyütülmüş Nanotüplerin SEM Görüntüleri

Şekil 21. IKBÇ ile Üretilmiş KNT’lerin TEM Görüntüleri

Şekil 22. Plazmayla Güçlendirilmiş KBÇ Cihazının Şematik Çizimi

Şekil 23. Plazmayla Güçlendirilmiş KBÇ Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin SEM Görüntüleri

Şekil 24. Plazmayla Güçlendirilmiş KBÇ Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin TEM Görüntüleri

Şekil 25. Buhar Fazında Büyütme Cihazının Şematik Çizimi

Şekil 26. Buhar Fazında Büyütme Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin SEM Görüntüleri

Şekil 27. Buhar Fazında Büyütme Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin TEM Görüntüleri

Şekil 28. Hidrotermal Sentezleme Cihazı Kurulumu

Sekil 29. a.Karbon nanotüp kullanılarak yapılan alan salımlı aygıt modeli

b.Karbon nanotüp kullanılarak Samsung tarafından yapılan ilk alan salımlı aygıt örnegi

Şekil 30. 3B Güneş Hücresi

Şekil 31. Nanotüp Takviyeli Bisiklet

Şekil 32. Adidas Lone Star

Şekil 33. Algılayıcı protatipi

Şekil 34. Nanotüp aglardan olusmus nanoelektronik tespit aleti

Şekil 35. Nanotüplerde hidrojen depolama

ÇİZELGELER

Çizelge 1. Karbonun farklı formlarının sınıflandırılması

Çizelge 1.1. Tek Katmanlı Nanotüplerin Özellikleri

Çizelge 1.2. Çok Katmanlı Nanotüplerin Özellikleri

Çizelge 2. Çeşitli maddelerin ısıl iletkenlikleri

Çizelge 3. Karbon Nanotüplerin karşılaştırmalı özellikleri

BÖLÜM 1.GİRİŞ

Günümüzde teknoloji, insanoğlunun ihtiyaçlarını karşılamak için sürekli gelişmektedir. Bu

gelişmelerden biri de boyutların küçültülmesiyle başlayan ve malzemelerin özelliklerini

iyileştirmeye yönelik olan “nanoteknoloji”dir. ‘Mikroteknolojiden daha küçük

teknoloji’olarak da adlandırılan nanoteknoloji, atomik ölçekte gerçekleştirilen

işleme teknolojisidir

Nanoteknoloji ile ilgili çalışmalar malzemelerin geliştirilmesi için de büyük önem

taşımaktadır. Atomik seviyede görüntüleme, ölçme ve işleyebilme sayesinde istenilen

özellikler verilerek malzemelerin geliştirilmesi de sağlanabilir. Bu işlemler sayesinde

boyutları 1 ile 100 nm arasında değişen, gelişmiş özellikli malzemeler ortaya çıkartılabilir.[1]

Karbon nanotüpler bilimin bazen istemeyerek tesadüfen ürettiği ama

önümüzdeki yüzyılın teknolojik manzarasında devrim yaratacak olan inanılmaz

nesneler arasında yer almaktadır.

Toplumumuz nanotüplerden önemli derece de etkilenmektedir ve nanotüp

uygulamaları ile tıpkı silikon bazlı teknolojilerin günümüzde hala hayatımızı

şekillendirmesi gibi her açıdan şekillenmiştir. Dünya en güçlü kablolar ile bağlanmış

uzay asansörleri, hidrojen tahrikli araçlar, suni kaslar vs… gibi olguları hayal etmeye

başladı bile, tüm bu olgular karbon nanotüp biliminin ortaya çıkması ile

gerçekleşebilecektir. Karbon nanotüpler daha iyi bir hayat açısından beklentilerimizi

yerine getirmemize yardımcı olabilir ve bu dünya oldukça umut verici

görünmektedir[2].

BÖLÜM 2.KARBON NANOTÜP NEDİR?

Karbon atomu altı elektrona sahiptir. Bu elektronlardan dört tanesi dış

kabuktadır ve valans elektronları olarak isimlendirilmektedir. Şekil 1’de karbon

atomunun enerji seviye grafiği görülmektedir. Bu şekilde karbon atomunun altı

elektronu oklarla (okun doğrultusu elektronun spinini temsil eder) gösterilmiştir. İlk

iki elektron çekirdeğe yakın olan 1s orbitalinde, sonraki ikisi ise 2s orbitalinde yer alır. Geriye

kalan iki elektron 2p orbitalinde ayrı yerleri işgal ederler.Bu p orbitallerinin aynı enerjiye

sahip olmasından ve elektronların ayrı orbitallerde olmayı tercih etmesinden

kaynaklanmaktadır.

Şekil 1. Karbon atomunun enerji seviyeleri

Elektronik hipritleşme kovalent bağlanmanın pek çok türüne izin vermektedir. Çizelge 1’de

karbonun farklı formlarının (1s2, 2s2, 2p2 elektronları) sınıflandırılmasının şematik gösterimi

yer almaktadır.

Kristal Yapı Özellliği Elmas Grafit

Carbynes Nanotüp

Hibritleşme sp3 sp2 sp1 sp2

Z koordinatı 4 3 2 3

Bağ Uzunluğu(A0) 1.54 1.42 1.21 1.33-1.40

Bağ Enerjisi(eV/mol) 15 25 35 >25

Çizelge 1. Karbonun farklı formlarının sınıflandırılması

Şekil 2 ’de karbonu allotropları görülmektedir.

Şekil 2. a) Elmas, b) grafit c) fulleren d) karbon nanotüp [10]

Karbon atomları kendi aralarında bağ yapan elektronların sayısına göre sp1,sp2 ve sp3

gösterimleriyle ifade edilen üç farklı bağlanma türünü de gösterirler. Bu gösterimler aynı

zamanda bağlanma geometrisini de temsil eder. Karbon elementi, her üç bağlanma

geometrisini gösterebilen tek element olması bakımından istisnai bir özelliğe sahiptir ve bu

özellik karbonun 0B'den 3B'ye kadar farklı yapıda olabilmesine olanak tanır. Karbonun 1B ve

0B yapıları nanometre düzeyinde oldukları için, bu sistemlere nanotüpler ve nanotoplar

deniyor ki karbon nanoyapıların aslını toplar ve tüpler oluşturmaktadır. Farklı çap ve boyda,

uçları açık ya da kapalı olabilen Karbon Nanotüpler (KNT) ise Nanoteknolojinin en önemli

konularından biridir [3].

Nanotüpler ilk olarak 1991 yılında ortaya çıkmıştır. Grafen düzlemi dediğimiz örülü

yapının bir silindir şekline sarılması ve uçlarının küresel bir silindir kapağı şeklinde

kapatılmasıyla oluşturulur[1].

Grafen Tek Duvarlı Karbon nanotüp

Grafitten "arcdischarge" buharlaşlırma yöntemiyle elde edilen tüpler, grafit plakasının

kıvrılarak silindir şekline gelmesiyle içi boş boru halini alıyor. Farklı çap ve boyda olabilen

bu yapıların uçları da açık veya kapalı olabiliyor.Duvarlarıysa ya tek, ya da iç içe geçmiş

silindirler halindedir.

Grafit plakasının kıvrılma yönüne göre nanotüpler değişik mekanik ve elektronik özellikler

gösteriyorlar Çok esnek ve sağlam olmaları nedeniyle, tüp ekseni yönünde çekilmeye karşı,

hasar görmeksizin direnç göstermeleri,onların ayrı bir özellikleridir.Küçük çaplı

(yaklaşık 1–2 nm) tüplerden oluşturulmuş bir demeti koparabilmek için uygulanan çekme

kuvvetinin büyüklüğü yaklaşık 36 gigapaskaldır. Buna göre, nanotüp fiberlerin gerilmeye

karşı en sağ lam malzeme özelliğini taşıdığı ortadadır[4].

BÖLÜM 3.KARBON NANOTÜP ÇEŞİTLERİ

3.1.Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (SWNT)

SWNT’lerin elde edilmesi, karbon nanotüplerin gelişmesinde büyük bir aşama olmuştur.

1996’da Rice Üniversitesi Araştırma Grubunun SWNT oluşturmada daha etkin bir yöntem

bulmasıyla,çok sayıda karbon nanotüp deneylerinin önü açılmış oldu.Arzu edilen nanotüpler

1200°C fırında karbonun lazer-buharlaştırılmasıyla elde edilmektedir. Daha sonra Montpellier

Üniversitesinden Catherine Journet, Patrick Bernier ve çalışma arkadaşlarının karbon ark-

buharlaşma metoduyla iyonlaşmış karbon plazmasından SWNT elde etmişlerdir.

Grafen katmanı bir levhanın çevresine sarıldığı zaman tek duvarlı karbon nanotüp (SWNT)

elde edilir. SWNT’ler yaklaşık olarak 0,7-10 nm çapındadırlar[5].

SWNT’ler temel simetri sınıflandırmasına göre achiral ve chiral olmak

üzere iki grupta ele alınmaktadır.Achiral nanotüp ayna görüntüsü kendisiyle aynı yapıya sahip

olan bir KNT olarak tanımlanır.Achiral yapının armchair ve zigzag olmak üzere iki durumu

söz konusudur(şekil 3). Chiral nanotüp sarmal simetriye sahiptir ve ayna görüntüsü kendisiyle

anti simetriktir.Bu tür yapılar kimyasal terminolojide chiral olarak nitelendirildiği için,

nanotüpler bu isimleri almıştır[3].

Tek duvarlı karbon nanotüpler genelde 1 nm çapına sahiptir fakat uzunlukları milyon kat

daha büyük olabilir.Bir SWNT yapısı kusursuz bir silindirin içine grafit adlı grafen bir tek

atom kalınlığında tabaka sarılarak kavramsallaştırılabilir.

“n ve m” tamsayıları grafen arasında petek kristal kafes iki yönleri boyunca birimi vektörlerin

miktarını göstermektedir. Eğer m=0 olursa nano tüpler zigzag olarak adlandırılır, eğer n=m

olursa koltuk karbon nano tüp olarak adlandırılır. İdeal bir karbon nantüp çapı aşağıdaki

formülle hesaplanır;

d= 𝑎

𝜋 √𝑛2 + 𝑚𝑛 + 𝑚2 a=0.246 nm

SWNT’ler karbon nantüplerin en önemli olanıdır.Nedeni n ve m değerlerinin değişmesiyle

önemli ölçüde özelliklerinin değişmesidir. Özellikle, kendi bant aralığı sıfırdan yaklaşık 2 eV

değişebilir ve elektriksel iletkenliği metal veya yarı iletken davranışı gösterebilir( Mintmire ve

ark., 1992; Dekker, 1999; Martel ve ark., 2001)[10].

Şekil 3. Tek katmanlı karbon nanotüplerin katlanış şekillerine göre çeşitleri.

Şekil 4. TEMmikroskobunda SWNT Görüntüsü

3.2.Çok Duvarlı Karbon Nanotüpler (MWNT)

Üst üste bir kaç grafin konulup katlanırsa iç içe geçmiş karbon nanotüpler

elde edilir. Bu tip nanotüplere çok katmanlı nanotüpler (MWNT) denir. Çok duvarlı karbon nanotüplerin (MWNT) her iki katmanı arasındaki mesafe yaklaşık olarak 0,34

nm kadardır. Bal peteği dizilişi ile oluşan hegzagonal yapılı levhaların sarmal formlarında, iç

içe geçmiş silindirik tüp yüzeylerinde yer alan atomların yapılandırma durumlarına göre bu

tüplerin elektriksel özellikleri yarı iletken veya metalik niteliklerde olabilir.

Şekil 5. Tek Katmanlı ve Çok Katmanlı Nanotüpler

Şekil 6. TEMmikroskobunda MWNT Görüntüsü

BÖLÜM 4. KARBON NANOTÜPLERiN ÖZELLiKLERi

4.1 Karbon Nanotüplerin Kristal Yapıları ve Fiziksel Özellikleri

Yüksek çözünürlü mikroskobi teknikleriyle karbon nanotüplerin yapısı araştırılmaktadır.Bu

deneyler sonucunda nanotüplerin, kristal grafitlerden oluşan hegzagonal örgüdeki karbon

atomlarının oluşturduğu silindirik yapılar olduğu anlaşılmıştır.3 tip nanotüp olabilir:

“armchair”, “zigzag” ve iki boyutlu grafit levhanın nasıl rulo yapıldığına bağlı olan “chiral”.

Değişik tip nanotüpler birim hücrelerine göre kolayca belirlenir,yani yapıyı belirleyen en

küçük atom grubudur [8]. Tek duvar karbon nanotüpünün yapısı nanotüp eksenine dik nanotüplere uygun vektörlerle

verilir. Şekil 7’de nanotüpün açılmış petek örgüsü görülür, bu şekilde 𝑂𝐵 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ vektörü yönü

nanotüp ekseninin yönüdür ve 𝑂𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗ vektörü bir karbon nanotüpün . 𝐶ℎ⃗⃗ ⃗⃗ kiral vektörünü

tanımlar.O,A,B ve B′noktalarını düşünelim, petek örgüyü katladığımızda ve O ve A noktaları ve B

ve B′ noktaları çakışır. 𝐶ℎ⃗⃗ ⃗⃗ kiral vektörü altıgen örgünün a1⃗⃗⃗⃗ = (√3

2a ,

𝑎

2) a2⃗⃗⃗⃗ = (

√3

2a ,‒

𝑎

2)

gerçel uzay birim vektörleriyle ifade edilir.

Ch=nâ1+mâ2 (n,m tamsayı, 0≤│m│≤ n )

Şekil 7. Bir nanotüpün açılmış petek örgüsü[6].

Başka bir önemli parametre ise kiriş açısıdır; Ch ile â1 arasındaki açı. Grafit levha nanotübün

silindirik kısmını oluşturmak üzere rulo yapıldığında,kiriş vektörlerinin sonları çakışır.

Böylelikle kiriş vektörü, nanotübün dairesel kesitinin çevresini oluşturur.m ve n’in değişik

değerleri farklı nanotüp yapılarına sebep olur. “armchair” nanotübü n=m ve kiriş açısı 30º

olduğunda, “zigzag” ise n=0 ya da m=0 ve kiriş açısı 0º olduğunda oluşur. Kiriş açıları 0º ile

30º arasında değişen nanotüpler ise “chiral” nanotüp olarak adlandırılır. Nanotüplerin

özelliklerini belirleyen çap dt, kiriş vektörünün uzunluğunun ¼’ü dür. Böylelikle, acc

düzlemde en yakın karbon atomu ile uzaklık olmak üzere; dt=(√3/π)acc(m²+mn+n²)½

ve kiriş

açısıda tan¯¹√3n/(2m+n) ‘dir.

Nanotüplerin çaplarının ve kiriş açılarının ölçümü tünelleme taramalı mikroskobu ve

geçirmeli elektron mikroskobu ile yapılmaktadır.Yine de çapı ve θ açısını ölçerken aynı anda

örneğin direnç gibi fiziksel bir özelliğide ölçebilmek halen büyük bir zorluk teşkil etmektedir.

Çünkü nanotüplerin boyutları çok küçük ve karbon atomları sürekli bir ısısal hareket

halindedirler.Ayrıca mikroskoptan gönderilen elektron demeti nanotüplere zarar verebilirler.

Her nanotüp birim hücresi 2’şer atom içeren altıgenlerden oluştuğuna göre, nanotüp birim

hücresi birçok karbon atomu içerir. Nanotüp birim hücresi altıgenden N kere büyük ise, ters

uzayda birim hücre altıgenden 1/N oranında küçüktür[7].

Karbon nanotüplerin bir diğer kimyasal ve fiziksel özelliklerine gelince;

*Bağ tipi polar olmadığı için suda çözünmezler.Genellikle kimyasal müdahaleler olmadığı

sürece bir çözücüde çözünmezler.

*Tek katmanlı karbon nanotüpler toluen,dimetil formamit ve tetrahidrofuran gibi organik

çözücüler ile kararlı çözeltiler oluşturabilirler.

*Vakumda 1500 ºC e kadar kararlı halde durabilirler, açık havada ise 750ºC e kadar

kararlıdırlar.

*Yüzey alanı-hacim oranı yüksektir[8].

4.2 Karbon Nanotüplerin Elektriksel Özellikleri

Bir tek grafit levhası yarı metaldir.Bunun anlamı sahip olduğu özellikleri yarı iletken ile

metal arasında orta düzeyde olmasıdır.Grafit levha yuvarlanarak nanotüp oluşturulduğunda;

daire çevresinde yanlızca karbon atomları sıralanmaz,aynı zamanda elektronların kuantum

mekaniksel dalga fonksiyonları da uyumlu olarak düzenlenir. Radyal doğrultularda,

elektronlar inceltilmiş tek katmanlı grafit düzlem tarafından sınırlanmıştır. Nanotübün daire

çevresinde periyodik sınır şartları ortaya çıkmaktadır. Örneğin eğer bir nanotüp daire

çevresinde 10 hekzagon bulunduruyorsa, 11. hekzagonal 1. ile çakışmaktadır.Silindir

etrafında 2π’lik faz farkı ile karşılaşılır.

Kuantum sınırlarından dolayı elektronlar sadece nanotüp ekseni boyunca etkili olmaktadır,

böylece dalga vektörleri de bu doğrultuda işaretlenir. Bu basit düşünce tek boyutlu bandın

dağınım bağıntısını hesaplamakta kullanılır. Bu da çok iyi bilinen grafit levhası üzerinden,

dalga vektörünü enerjiye bağlar. Noriaki Hamada ve meslektaşları, ve daha sonra NEC

Labaratuarından (Tsukuba) küçük çaplı nanotüpler için dağınım bağıntısını hesaplamışlardır.

Bu da gösteriyor ki küçük çaplı nanotüplerin 1/3’ü metalik, geri kalanı ise çaplarına ve kiriş

açılarına bağlı olarak yarıiletkendir. Genel olarak (n,m) bir karbon nanotüp n-m=3q (q tam

sayı) olmak şartıyla metaliktir. Bütün “armchair” nanotüpler metaliktir, “zigzag” nanotüplerin

1/3’ü de metaliktir[7].

Grafenin eşsiz elektron yapısından dolayı, nanotüplerin yapısı kuvvetli elektriksel özellikleri

etkilemektedir. Aşağıda verilen denklemdeki, nanotüp için (n,m), eğer n=m ise metal, eğer n-

m 3 ün katıysa, nanotüp düşük bant aralıklı bir yarı iletken özellik göstermektedir.Değilse

ortalama bir yarı iletken özellik göstermektedir.

d= 𝑎

𝜋 √𝑛2 + 𝑚𝑛 + 𝑚2

Fakat bu kuralın istisnai durumları vardır. Örneğin çok küçük çaplı KNT’ler de eğrilikler

elektriksel özelliklerin değişmesine sebep olmaktadır. Böylece TDNT yarı iletken olması

gerekirken metalik olmaktadır.

Teoride metalik karbon nanotüpler, normal metallerden 1000 kat daha (4x109A/cm2) fazla

elektrik akımı taşıyabilmektedir (Hong ve Myung, 2007)[9].

Karbon nanotüplerin çapları nanometre, boyları mikrometre düzeyinde olabilmektedir.

Nanotüplerin çapları şimdiye kadar üretilebilen en ileri yarıiletken aygıtlarınkinden bile çok

daha küçüktür. KNT’lerin yarıiletken teknolojisinde kullanılmaya başlaması yarıiletken

fiziğinde çok büyük bir atılıma vesile olacağı açıktır[3].

4.3 Karbon Nanotüplerin Mekanik Özellikleri

Küçük çaplı karbon nanotüpler, geleneksel mikron boyutlu grafitik fiberlere kıyasla önemli

mekanik özelliklere sahiptirler. Bu nanotüplerin en dikkat çekici özelligi, yüksek esneklik,

yüksek dayanıklılık ve yüksek sertligi bir araya getirmesidir. Bu özellikler karbon nanotüplere

yeni nesil yüksek performanslı kompozitler için yol açmaktadır. Karbon nanotüplerin

mekanik özellikleri üzerindeki kuramsal çalısmalar, nanotüp üretiminin kolay anlasılamaması

ve nanometre boyutundaki malzemelerin kolay islenememesi nedeniyle deneysel

çalısmalardan çok daha ileridedir[10].

Çok hafif olması, yüksek elastiklik modülüne sahip olması ve bilinen en dayanıklı fiber

olması ihtimalleri, Karbon Nano Tüplerin (KNT) en önemli özelliklerindendir. Deneysel bazı

çalışmalar sonucu çok cidarlı KNT’lerin 1-1.8 TPa arasında elastiklik modülüne ve TEM-

esaslı çekme ve eğme testleriyle de 0.8-150 GPa arasında çekme dayanımına sahip olduğu

anlaşılmaktadır. Çok cidarlı KNT’lerin çekme dayanımlarının tek cidarlılardan daha düşük

olduğu bilinmektedir. Bunun temel sebebi, her bir nanotüp katmanının KNT’lerin

sürtünmesize yakın kinetik özelliklere sahip olmasından dolayı birbiri üzerinden kayarak

sıyrılma (pull-out) olarak bilinen özelliğin görülmesidir. Yu ve arkadaşları tarafından yapılan

bir başka çalışmada ise tek cidarlı KNT’lerin dış yüzeylerinda taşıdığı yükler vasıtasıyla

oluşturulan gerilme-gerinim eğrilerinden 13-52 GPa arasında kırılma dayanımına sahip

olduğu belirlenmiştir. Aynı yöntemle çok cidarlı KNT’ler için gerçekleştirilen çalışmada ise

11-63 GPa arasında çekme dayanımı ile 0.27 – 0.95 TPa mertebesinde elastiklik modülü

tayin edilmiştir. Özellikle, yoğunluğu da dikkate alındığında çelikten çok daha yüksek

spesifik dayanıma sahip olan KNTler bilinen en dayanımlı malzemelerden biri olarak kabul

edilmektedir[1].

Tek cidarlı nano tüpün çapı 1-2 nm, boyu ise en fazla birkaç cm düzeyindedir. Tek cidarlı

karbon nano tüpün çekme mukavemeti 63 GPa (Cigapaskal) düzeyindedir. Bu miktar

çeliğin100 katıdır. Buna karsılık çelikten çok daha hafif ve esnektir. Bir çok mekanik

uygulamaları düsünülmektedir. Uzay asansörü için en iyi (yegane) malzeme olabilecektir[11].

4.3.1.KNT Dayanıklılık

Karbon nanotüpler sırasıyla çekme dayanımı ve elastik modülü açısından keşfedilen güçlü

malzemelerdir. Bu mukavemet bireysel karbon atomları arasında bir kovalent bağdan

kaynaklanır. 2000 yılında, çok duvarlı karbon nanotüp (MWNT) 63 gigapascals (GPa) bir

gerilme gücü tespit edilmiştir. 2008 yılında yapılan ilave çalışmalar, bireysel CNT kabukları

kuantum / atomistik modelleri ile iyi bir uyum içinde ~ 100 GPa, kadar güçlü olduğunu

göstermiştir (Peng ve ark.,. 2008). Karbon nanotüpler 1,3g/cm3 katı için düşük yoğunluklu

olduğundan, kendine özgü gücü 48,000kN*m*kg-1 olarak bilinen en iyi malzemedir.

Karbon nanotüpler sıkıştırma altında güçlü değildirler. Çünkü bunların içi boş bir yapı ve

yüksek boy oranı, onlar, basınç burulma, bükülme ya da stres altında yerleştirildiği zaman

çökertme geçmesi eğilimindedir (Jensen ve ark., 2007).

Young mod E = Ç𝑒𝑘𝑚𝑒 𝐷𝑎𝑦𝑎𝑛𝚤𝑚𝚤

𝐾𝑜𝑝𝑚𝑎 𝐷𝑎𝑦𝑎𝑛𝚤𝑚𝚤 =

𝐹

A0 ∆𝐿

L0

= 𝐹.L0

A0 .∆𝐿

F :Malzemeye uygulanan kuvvet

A0 :Kuvvetin uygulandığı dik kesit

L0 :Malzemenin kuvvet uygulanmadan önceki uzunluğu

ΔL :Malzemedeki uzunluk değişimi[9].

Bu ilginç mekanik özellikleriyle KNT’ler, malzeme endüstrisini tamamıyla değiştirebileceğini

açıkça ortaya koymuştur.[3] Fakat her ne kadar nano boytularda tüpler çok saglam bir yapıya

sahip olsalar da bu tüplerdeki önemli bir sorun, makroskopik ölçülere gelindiginde tüpün

kırılgan bir yapıya dönüsmesidir[12].

Şekil 8.Karbon nanotuplerin kopma dayanımlarının diğer liflerle kıyaslanması[13].

4.3.2 Karbon nanotüplerin esnekligi

North Caroline Üniversitesinden Jerzy Bernhole ve meslektaşlarının hesaplarına göre bir

nanotüp kırılmadan yüksek oranda uzayabiliyor. Karbon fiberlerinin aksine, tek katmanlı

nanotüpler dikkate değer oranda esnektir.Burkulabilir, düzleştirilebilir, küçük daireler

şeklinde kıvrılabilir. Ya da başka çeşitli esnetmeler sonucunda kırılmadan kalabilir. Dahası

Bernhole ve meslektaşları,nanotüp üzerindeki etki çekildiği zaman eski orijinal şeklini

aldığını gözlemlemişlerdir.Baskı altında kolayca kırılan karbon fiberlerinin aksine, karbon

nanotüpler etki uygulandığında elastikiyeti sağlayan tek benzer yapıyı oluştururlar.[7]

Young modülünün bilinmesi, çesitli uygulamalarda malzemenin yapı elemanı olarak

kullanılması için ilk adımdır. Young modülü, dogrudan katının yapısına bagıntılıdır ve

bundan dolayı katıyı olusturan atomların kimyasal örgüsüne baglılık göstermektedir.

Malzemeye kuvvet uygulandıgında sekli degisebilir, kuvvet kaldırıldıgında ise, tekrar

eski haline dönebilir. Bu durum, malzemenin esnekligine baglıdır. Sekil degisikliginden

dolayı olusan iç kuvvet, malzemeye uygulanan dıs kuvveti dengeler. Malzemeye etki

eden dıs kuvvet (F) ile etki ettigi yüzey (A) oranına “Zor”; malzemenin boyu δl kadar

uzamıssa δl/l oranına “Zorlanma” denir. Zor/Zorlanma oranı Young modülünü

(E=(F/A)/ (δl/l)) verir.

Zayıf van der Waals baglarından (tipik olarak 0.1eV) dolayı moleküler katılar düsük

Young modülüne sahiptirler (genellikle 10Gpa). Oysa grafit, elmas, SiC, BN gibi

kovalent baglı olan malzemeler, yüksek Young modülüne sahiptir (100Gpa’dan yüksek).

Kristalin örgü parametresinin küçük degisimleri, onun esneklik katsayısında büyük

degisimlere neden olabilir. Karbon nanotüplerin Young modülü, sp2 bag kuvvetine

baglıdır ve yarıçapı çok küçük olmadıgı ve C-C bagların önemli sekilde bozulmadıgı

durumlarda grafin katmanınkine esittir (Salvetat et al. 1999)[10].

4.4. Karbon Nanotüplerin Isısal Özellikleri

KNT’ler bilinen en yüksek ısıl iletkenliği sahip maddelerdir.Çizelge 2’de malzeme çeşitlerini

ve ısıl iletkenliklerini göstermektedir[9].

Madde Isıl İletkenlik W/mK

Altın 314-318

Bakır 353-386

Gümüş 406-429

Elmas 2000-2500

Grafit,Grafen katmanına paralel 0.0131

Graift,Grafen katmanına zıt yönde 1900

SWNT(Tek duvarlı karbon nanotüp) 6600

Çizelge 2.Çeşitli maddelerin ısıl iletkenlikleri

Karbon nanotüpler, yalnızca elektronik ve mekanik özellikleriyle degil, ısısal özellikleriyle de

büyük ilgi çekmektedirler.Küçük boyutlarından dolayı, kuvantum etkileri önemlidir ve düsük

sıcaklık özgül ısı ve ısısal iletkenlik, fonon yapısının tek boyutlu kuvantumlamasının

kanıtıdır. Bir karbon nanotüpte, fonon sayısını saptamak için düsük sıcaklık özgül ısı ve yıgın

içinde tüplerin komsuları arası etkilesimi hesaba katılır. Nanotüplerin ısısal özellikleri hem

kuramsal hem de deneysel olarak incelenmistir. Kuramsal tahminlere göre, oda sıcaklıgında

ısısal iletkenlikleri grafit ve elmasınkinden büyüktür.Ölçümler oda sıcaklıgında ısısal

iletkenligin TDNT’lerde 200W/mK’in üstünde, ÇDNT’lerde ise 300W/mK’in üstünde

oldugunu göstermistir (Hone 2004)[10].

4.4.1 Özgül ısı

Malzemenin özgül ısısı C(T) düsük enerji uyarmalarının hassas noktasıdır. 3-boyutlu

grafit, 2-boyutlu grafin ve nanotüpler, fononlar baskın uyarmalardır ve fonon özgül ısısı Cph

C(T)’de pek çok sıcaklıkta etkindir.

Fonon dagılımı elektron dagılımına baskındır.

ÇDNT’lerde radyal ısısal iletkenligin grafitin ısısal iletkenliginden de düsük olacagı

tahmin edilmektedir. Grafitin ısısal iletkenligi, katmanları arası zayıf van der Waals

etkilesiminden dolayı düsüktür. ÇDNT’lerde iç içe geçen nanotüplerdeki ayrılma,

grafitteki düzlemlerarası ayrılmaya benzer ve ayrıca iç içe geçen tüpler arasındaki

kuvvet yalnızca van der Waals kuvvetidir.

Karbon nanotüplerin ısısal genlesmesi, karbon tellerden temel olarak farklı ve grafit

kadar iyi olacaktır. Kusursuz karbon nanotüpler için izotropik genlesme katsayısı

avantajlı olabilir. Nanotüpler için çok düsük ısısal genlesme katsayısı tahmin

edilmektedir[10].

4.4.2 Isısal iletkenlik

Elmas ve grafitin yüksek ısısal iletkenliklerinden dolayı, nanotüplerin de yüksek ısısal

iletkenlik gösterip göstermeyecekleri merak uyandırmıstır. Bu özellik, tek-tüpler için

kuramsal olarak, yıgın tek duvarlı tüpler ve çok duvarlı tüpler için deneysel olarak

gösterilmistir.

Katılarda ısısal iletimi, örgü titresim dalgaları (fononlar) ve serbest elektron tarafından

gerçeklestirilmektedir. Elmasın ısısal iletkenligi 1000-2600 W/mK ve grafitin ısısal iletkenligi

100oC’de 120 W/mK’dir. Hone ve arkadasları tek bir TDNT ipin ısısal iletkenliginin oda

sıcaklıgında 1800-6000 W/mK oldugunu, elektriksel iletkenlikteki degisimleri kullanarak

nümerik olarak hesaplamıslardır (Hone 1999). Che ve arkadasları bu degeri 2980 W/mK

olarak açıklamıslardır. Berber ve arkadasları da moleküler dinamik benzetimlerinden, ısısal

iletkenlige baglı sıcaklık degerlerini bulmuslardır. Oda sıcaklıgında ısısal iletkenligi 6600

W/mK olarak hesaplamıslardır (Berber 2000). Isısal iletkenlik ölçümleri 200 W/mK’den 6000

W/mK’e genis aralıkta degerler göstermistir. Isısal iletkenlik çalısmaları oda sıcaklıgında

TDNT ve ÇDNT yıgınlarının 1800 ve 6000 W/mK arasında degerler aldıgını göstermistir.

Tek bir ÇDNT için ısısal iletkenligin 3000 W/mK üzerinde oldugu da yapılan çalısmalarda

açıklanmıstır (Kim 2001)[10].

Çizelge 3. Karbon Nanotüplerin karşılaştırmalı özellikleri

BÖLÜM 5.KARBON NANOTÜPLERİN SAFLASTIRMA İSLEMLERİ

Nanotüp uygulamalarında problemlerden biri de saflastırmadır. Grafit tabakaları, amorf

karbon, metal katalizör ve daha küçük fullerenler gibi safsızlıklar TDNT’lerin özelliklerini

olumsuz bir sekilde etkilemektedir. TDNT’lerin mümkün oldugu kadar homojen olması

istenmektedir. Saflastırma teknikleri: Oksitlenme, asit uygulama, ısıl islem, ultrases

uygulama, mikrofiltreleme, ferromanyetik ayırmadır (Daenen et al. 2003).

5.1 Oksitlenme

TDNT’lerin oksitlenmesi, karbonla ilgili safsızlıkları ortadan kaldırmak ve metal yüzeyi

temizlemek için iyi bir yöntemdir. Bu süreçte yalnızca safsızlıklar oksitlenmemekte,

bunun yanında TDNT’ler de oksitlenmektedir. Bu islemin nanotüplere verdigi zarar,

safsızlıklara verdiginden daha azdır. Bu safsızlıklar genelde metal katalizöre baglı olup,

oksidasyon katalizöre de etki etmektedir. Bu islemin etkisi ve verimi metal içerigine,

oksitlenme zamanına, ortama, oksitlenme sıcaklıgına oldukça baglıdır. Örnegin, sıcaklık

600oC’nin üstüne çıktıgında TDNT’ler de oksitlenmektedir.İyi bir oksitlenme islemi

için sıcaklık ve zaman iyi kontrol edilmelidir.

5.2 Asit uygulama

Bu yöntem, genellikle metal katalizörü kaldırmak için kullanılır. Bunun için öncelikle,

metal yüzeye oksitlenme uygulanmalıdır. Daha sonra bu yüzey, asite maruz bırakılmalı

ve çözünmesi saglanmalıdır. Böylece metal safsızlıklar yok olur ve geriye yalnızca tek

duvarlı karbon nanotüpler kalır. Eğer asit olarak HCl kullanılırsa bir miktar TDNT ve

diger karbon parçacıklarına da etki eder.

5.3 Isıl islem

873-1873K arasında uygulanan ısıl islem sonunda nanotüpler yeniden düzenlenmekte

ve kusurlar kaybolmaktadır. Yüksek sıcaklık ayrıca grafitik karbon ve kısa fullerenlerin

de yok olmasına yol açar. Yüksek sıcaklıkta (1873K) vakum uygulandıgında metal

eriyecektir ve böylece metal, yüzeyden kaldırılmıs olacaktır.

5.4 Manyetik saflastırma

Bu yöntemde, ferromanyetik (katalizör) parçacıklar diger grafit tabakalardan mekanik

olarak kaldırılır.

Ferromanyetik parçacıkları kaldırmak için TDNT süspansiyonu ultrases banyo içinde

inorganik parçacıklarla (ZrO2 veya CaCO3) karıştırılır.

Şekil 9. Manyetik saflastırma için kullanılan düzenek (Daenen et al. 2003)

5.5 Ultrases ile dagıtma

Bu teknikte, parçacıklar ultrases titresimler nedeniyle birbirinden ayrılırlar. Farklı

parçacıklardan olusan topak, titresim zoruyla dagılacaktır. Parçacıkları ayırmak için çözücü

ve ayıraç kullanılır. Çözücü, metalden ayrılmıs tüplerin saglamlıgını etkiler.Zayıf

çözücülerde, eger hala metale baglıysa tüpler daha saglamdır. Asit kullanıldıgında,

TDNT’lerin saflıgı asite maruz kalma süresine baglıdır.Eger tüpler kısa süre asitte kalırsa

sadece metal çözünür, fakat uzun süre kalırsa tüplerde kimyasal kesim olacaktır.

5.6 Filtreleme

Mikrofiltreleme, parçacık ayırımına dayanır. TDNT’ler ve az miktar karbon nanoparçacıklar

filtrede tutulur.Diger parçacıklar (katalizör metal, fulleren ve karbon nanoparçacıklar)

filtreden geçerler. Sekil 10’da mikrofiltreleme düzenegi gösterilmektedir.

Şekil 10. Mikrofiltreleme düzenegi (Daenen et al. 2003)

Tek duvarlı nanotüplerden fullerenleri ayırmanın bir yolu da CS2 çözeltisi kullanmaktır.

İlk önce TDNT’ler CS2 çözeltisiyle ıslatılır.CS2, filtrede çözünmez. CS2 içinde çözünmüs

fullerenler de filtreden geçer[10].

BÖLÜM 6.KARBON NANOTÜPLERİ BÜYÜTME YÖNTEMLERİ

Karbon nano tüp sentezlenmesi için yıllar süren çalışmalar sonucunda belirli yöntemler ortaya

çıkartılmıştır. Sentezleme yöntemlerinin her biri farklı uygulama ve kullanım istekleri

doğrultusunda şekillendirilmiştir. Yüksek saflıkta üretim isteği,düşük sıcaklıklarda sentezleme

ve üretim kapasitesinin artırılması üzerine yapılan çalışmalarla birçok değişik yöntem ortaya

konulmuş ve üretimde uygulanan malzemelerin hallerinden esinlenerek katı hâlde karbondan

ve gaz hâlde karbondan sentezleme şeklinde bir sınıflandırmaya gidilmiştir. Bu hallerin

dışında kalan ve farklı isteklere cevap veren durumlar ise diğer sentezleme yöntemleri olarak

belirtilmiştir.

6.1.Katı Halde Karbondan Sentezlenenler

Katı hâlde karbondan sentezleme yöntemlerinde karbon kaynağı, katı halde bulunan grafit bir

parça kullanılmaktadır. Grafit çubuğun geometrisi yöntemden yönteme değişmektedir. Bu

yöntemlerde yüksek sıcaklıklar ve yüksek basınçlar söz konusu olmaktadır[1].

6.1.2. Ark Boşaltma Yöntemi

Ark plazma, ÇDNT ve TDNT üretmek için gelistirilen iyi bir yöntemdir. ÇDNT, kontrollü

büyüme kosullarıyla elde edilebilmektedir[10].

Ark-boşalım yönteminde, birbirine yakın iki grafite potansiyel farkı uygulandığında

aralarında ark oluşur ve anot grafit harcanır. Bu sırada anottan kopan parçalar katot grafit

yüzeyinde birikme yaparak depoziti oluşturur. Depozitin en iç yumuşak kısmı karbon

nanotüpleri içermektedir.Karbon nanotüpler tüp şeklinde yapılar oldukları için yapısal olarak

kapalı kafes yapısına sahip fullerenlere yakın malzemelerdir.

Deney sistemi şematik olarak Şekil-11 de gösterilmektedir. Arkın oluştuğu reaktör, paslanmaz

çelik malzemeden yapılmış, uzunluğu 20 cm ve iç çapı 10 cm dir. Ark esnasında çok yüksek

sıcaklık oluştuğu için reaktörün dış yüzeyi, içinden yüksek debide suyun geçtiği, soğutma

ceketi ile kaplıdır.

İki aşamalı olan deneylerin ilk aşamasında, anot olarak 6 mm çapında ve 20 cm uzunluğunda

grafit çubuk ve katot olarak da 40 mm çapında ve 20 mm uzunluğunda grafit çubuk

kullanılmaktadır.Grafit çubukların reaktör içerisindeki hareketleri, ceket soğutmalı bakır

elektrotlar kullanılarak sağlanmakta ve anot bakır elektrot bilgisayar kontrollü step motor

sistemine bağlanarak grafit çubuklar arasındaki açıklık 5 μm hassasiyetle kontrol

edilmektedir. Bu sayede deney esnasında hem sabit bir ark açıklığı hem de arkın sürekliliği

sağlanmaktadır. Ark oluşumu için 400 ampere kadar sabit akımda çalışma olanağı sağlayan

güç kaynağı (LINC 400 SR) kullanılmaktadır.

Ark esnasında 5000 K lere varan sıcaklıklara ulaşıldığı için ve eksi basınçlarda çalışıldığı için

reaktör içerisindeki gazlar vakum pompaları ile çekilmekte ve deneyler helyum atmosferi

altında yapılmaktadır.

İki grafit çubuğa potansiyel uygulandıktan sonra oluşan ark sonucunda anot grafit çubuk

yüksek sıcaklık sebebiyle buharlaşmaktadır. Oluşan isin bir kısmı reaktörün soğuk

çeperlerinde yoğunlaşırken bir kısmı da elektrik akımı yönünde hareket ederek katot

yüzeyinde birikme yapmaktadır. Biriken bu yapıya depozit denilmektedir.

Deneylerin ikinci aşamasında, uzatılan depozitler anot olarak kullanılmakta ve ilk aşamadaki

gibi ark oluşumu sağlanmaktadır. Bu ark sonucunda reaktör çeperinden toplanan is

içerisinden C60 ve C70 fullerenleri almak için is, toluen ile ultrasonik banyoda ekstrakte

edilmektedir. İs içindeki fulleren (C60 ve C70) verimini bulabilmek için ekstrakt UV-VIS

spektrometresi ile analizlenmektedir[14].

Şekil 11. Ark-boşalım yöntemiyle fulleren üretimi deney sistemi[14].

Ark-buharlaşma sonucunda katodta oluşan tortunun şekli ve içeriği, kullanılan koşullara sıkı

sıkıya bağlıdır. Optik mikroskop ve SEM kullanılarak, katod tortusu üzerine birçok çalışmalar

yapılmış ve çeşitli sonuçlar elde edilmiştir. Yine de açıkça görülüyor ki, tortunun mikroskobik

şekli soğutmanın yeterliliğine bağlıdır. Zayıf soğutma katman halinde tortuya sebep olur. Bu

tip tortularda nanotüpler küçük cepler içinde rastgele yerleşmiş olarak bulunur. Öte yandan

elektrodların iyi soğutulması daha silindirik ve homojen tortu oluşmasına sebep olur. Bu tip

tortularda erimiş malzemeden bir dış kabuk ve içte daha yumuşak lifli, içinde nanotüpler ve

nanoparçacıklar bulunan göbek bulunur. Bunlar dış kabuğu kesip açarak dışarı çıkarılabilir.

Nanotüplerin kalitesini anlamak için karbona basit fiziksel bir test yapmak yeterlidir. Birkaç

nanotüpten oluşan yetersiz bir örnek, genelde toz şeklinde bir doku olur, iyi malzemede ise

yaprağa benzer, gri, metalik, cilalı bir şekilde oluşur.Göbekteki lifli malzemenin SEM ile

incelenmesi sonucu, nanotüp demetlerinin düzenlenmiş mikrolifler içerdiği gözlenmiştir

Ark-buharlaştırma metodunda dikkat edilmesi gereken bir başka konu da oluşan malzeme

(kurum) çok hafif olmasından dolayı çok kolay havada asılı kalabilmesidir. Bu nedenle ark-

buharlaştırma cihazının tamamının bir koruma kabının içinde bulundurulması tavsiye edilir.

Ayrıca oda açılırken maske takılmalı ve fulleren bağlantılı malzemelerle çalışırken eldiven

giyilmesi gerekir. Bunların yanısıra başka önlemlerde alınmalı; ark-buharlaştırmasını

gerçekleştirmeden önce makine kısa devreye karşı kontrol edilmeli ve gazı içeri vermeden

önce vakumda sızıntı var mı kontrol edilmelidir. Ek olarak her odanın gözleme bölümü

olduğundan, operatörü arkın yoğun ışığından korumak için yüksek yoğunluklu optik filtreli

gözlük kullanılması gerekir[7].

Şekil 12. Ark yöntemi ile sentezlenmiş Şekil 13.Ark yöntemi ile sentezlenmiş

çok duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü tek duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü [15]

6.1.1.Lazerle Aşındırma Yöntemi

Lazerle buharlastırma tekniginde lazer, genellikle katalizör metal tozu ile doldurulmus grafit

hedefi buharlastırmak için kullanılır. _lk defa 1995’de Smalley ve gurubu tarafından Rice

Üniversitesinde Lazerle buharlastırma (lazer fırını) kullanılarak 1-10gr yüksek kalite TDNT

sentezlenmistir.

Grafit hedefin lazerle buharlastırılmasıyla dar çapa sahip tek duvarlı nanotüp paketleri

sentezlemek için etkili bir yoldur. Bu yöntemle, 1200 oC’ye ısıtılan akıs tüpünde buhara

dönüsen grafitten %70-%90 yüksek verimle tek duvarlı nanotüp üretilmektedir.Co/Ni/grafit

kompoziti (%1.2 Co/Ni alasımı, %98.8 grafit) lazerle buharlastırma hedefi olarak kullanılır.

Hedefi buharlastırmak için kullanılan lazer darbeleriyle hedeften küçük miktarda geçis

metaliyle karbon karısımı meydana gelir. Akan Argon gazı nanotüpleri yüksek sıcaklıkta su

ile soguyan Cu toplayıcıya süpürüp götürür ve daha sonra fırının dısına alınır.

Şekil 14. Grafit hedef ve karbon nanotüpler için sogutulmus toplayıcı kullanılan

lazerlebuharlastırma yöntemiyle 1200 oC’ye ısıtılan kuvars tüpte TDNT üretimi[10].

Şekil 15. Lazerle Aşındırma Yöntemi Kullanılarak Üretilmiş Tek Duvarlı KNT’lerin Taramalı

Elektron Mikroskobu(SEM) Görüntüsü[1].

6.1.3. Solar Fırın Yöntemi

Çoğunlukla fulleren sentezlenmesi için tasarlanmış bu yöntem sonraları karbon nano tüp

sentezlenmesi için de kullanılmaya başlanmıştır. İşlem sıcaklıkları 4000oK düzeyindedir[15].

Düşük verimli bir üretim söz konusu olduğundan pek tercih edilmemekte ve hatta pek çok

kaynakta bu yönteme değinilmemektedir.Yöntemin en önemli yanı güneş enerjisini

kullanarak sentezlemenin gerçekleştirilmesidir.

6.2.Gaz Halde Karbondan Sentezlenenler

Bu yöntemlerde kullanılan karbon kaynakları çeşitli konvansiyonel gazlar olmaktadır. Yüksek

miktarlarda KNT üretmek için sıklıkla kullanılan ve günümüze özellikle üzerinde durulan

kimyasal buhar çökeltme (KBÇ, CVD) yöntemleri bu grup içerisindedir[1].

6.2.1. Kimyasal Buhar Çökeltme (KBÇ, CVD)

Karbon nanotüpler için kimyasal buhar depolama (CVD) yöntemi ilk kez 1998 yılında

Z.F.Ren tarafından gelistirilmistir. Kimyasal buhar depolama yöntemi ile nanotüp büyütmede

kilit parametreler, hidrokarbon gaz, katalizör ve büyüme sıcaklıgıdır.Katalizör boyutu veya

reaksiyon zamanı, karbon nanotüpün çapını ve boyunu belirleyebilir. Kimyasal buhar

depolamada genel nanotüp büyütme mekanizması, geçis metalleri tarafından katalizlenen

hidrokarbon moleküllerinin ayrısmasını ve karbon atomlarının metal katalizör içine

dagılmasını içermektedir[10].

Bu yöntemde öncelikle katalizörler silika substratların üzerine sol-jel yöntemiyle

kaplanmıştır. Bu işlemde 15 mL 1,5 M demir (III) nitrat çözeltisi, 30 mL etil alkol ve 10 mL

tetraetil ortosilikat 20 dakika karıştırıldıktan sonra içine bir miktar hidroflorik asit ilave

edilerek 25 dakika daha karıştırılmıştır. Daha sonra karışım silika plakalar üzerine çok ince

bir film tabakası oluşturacak şekilde damlatılıp gece boyunca 80 °C’de bekletilerek fazla

suyunu atması sağlanmıştır. Plakalar daha sonra kuvarz tüp fırın içine yerleştirilerek, vakum

altında(~10-3 Torr) 450 °C de 10 saat kalsine edildikten sonra ~200 Torr basınçta 500 °C’de

% 10 H2 ve % 90 N2 den oluşan bir gaz akışı altında 5 saat indirgenmiş ve 600 – 750 °C

aralığında % 10 C2H2 ve %90 N2 lik gaz akışı altında ~1 saat süresince karbon buhar

çökeltmesi işlemine tabi tutulmuştur.

Şekil 16. Kimysal buhar çökeltme sisteminin şematik gösterimi

Elde edilen örnekler Geçirmeli Elektron Mikroskopu (TEM) ve Raman spektroskopi

yöntemleriyle karakterize edilmiştir. TEM analizleri için numuneler silika plakalar üzerinden

etil alkol ve toluen ile sonik banyo yardımıyla alınıp daha sonra TEM gridleri üzerine damlatılarak

kurutulmuştur.

Şekil 17. Kimyasal buhar çökeltme yöntemi ile elde edilen karbon nanotüpler.

Karbon nanotüplerin karakterizasyonunda en önemli spektroskopi yöntemi olan Raman

spektroskopi sonuçları da TEM resimlerini desteklemektedir.

Şekil 18. Kimyasal buhar çökeltme yönteminden örneklerin Raman spektroskopi sonuçları.

Şekil 18 da kimyasal buhar çökelme yöntemi ile üretilen karbon nanotüplerin Raman pikleri

görülmektedir.Bu şekildeki 1550-1650 nm dalga boyundaki pikler (Raman spektroskopide

kullanılan lazere göre sapma yapabilmektedir.) bu örneklerde bulunan ve TEM resimleri ile

de gözlenmiş olan nanotüplerin varlığını teyit etmektedir[16].

Kimyasal buhar depolama, hem katalizörün önemli kısmında hem de dogrudan alttasta yüksek

kalite karbon nanotüp sentezlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Tipik olarak, karbon

hammaddesinin ayrısmasına, katalizör parçacıklar arası etkilesmeye ve nanotüplerin büyüme

sıcaklıgına baglıdır.

Kimyasal buhar depolamanın pek çok avantajı vardır:

• Ölçeklenirlik

• Nanotüplerin alttasa dogrudan üretimi ile aygıtlara kolay entegrasyonu

• Katalizör deseni içinden kontrollü büyüme yeri

• Elektromanyetik alanla büyüme yönü kontrolü

• Kullanılan katalitik nanoparçacıkların boyutlarının ayarlanmasıyla nanotüp çapı üzerinde

kontrol saglama

• Gaz, katalizör, alttas, sıcaklık ve basınçların çok yönlülük için genis kullanım

alanı[10].

6.2.2. Isıl Kimyasal Buhar Çökeltme (IKBÇ, Thermal-CVD)

Isıl kimyasal buhar çökeltme işleminin ürün ve hidrokarbon çeşitliliği, yüksek kaliteli

malzemelerin sentezlenebilmesi ve mikroskobik yapıların kontrol edilebilirliği gibi avantajları

bulunmaktadır.Tepkime gazının akışındaki değişme kararsız gaz tedariği anlamına

geldiğinden, bu metot altlığın homojenliği açısından iyi değildir. Ayrıca işlem sıcaklığına

ve tepkime odasının sıcaklığına da duyarlıdır. Bu dezavantajlarının yanında cihaz

kurulumunun basitliği ve seri imalatta avantajlı olmaları gibi özellikleri vardır. Isıl kimyasal

buhar çökeltme ile KNT üretimi şu şekilde olmaktadır. Fe, Ni, Co, ya da bu üç katalizör

metalinin alaşımı öncelikle bir altlığın üzerine çökeltilir. Altlık, damıtılmış suyla seyreltilmiş

HF çözeltisiyle dağlandıktan sonra numune kuartz teknesine konur.Tekne bir kimyasal buhar

çökeltme reaktörüne konur ve katalizör metal filminin NH3 kullanımı ile 750 ile 1050oC

sıcaklıkta bir kez daha dağlanmasından sonra nano ölçekte küçük metal katalizör taneler,

oluşurlar. KNT’ler bu küçük katalizör metal parçalarının üzerinde oluştuklarından bunların

oluşturulması en önemli işlemdir.

Şekil 19. Isıl Kimyasal Buhar Çökeltme Cihazının Şematik Çizimi.

Şekil 20. IKBÇ İşlemiyle Büyütülmüş Şekil 21. IKBÇ ile Üretilmiş KNT’lerin

Nanotüplerin SEM Görüntüleri TEM Görüntüleri

6.2.3. Plazmayla Güçlendirilmiş Kimyasal Buhar Çökeltme(PGKBÇ, PECVD)

Plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar çökeltme yönteminin,ısıl kimyasal buhar çökeltme

işlemine göre düşük sıcaklık avantajı bulunmaktadır.Özellikle görüntüleme cihazlarında

kullanılacak olan KNT’lerin üretimi soda kireci üzerinde,soda kirecinin eridiği 550oC’tan az

bir sıcaklıkta üretilebilirler.Plazma KBÇ yönteminde deşarj için kullanılan güç kaynakları

genelde yüksek frekanslı doğru akım kaynaklarıdır.RF (13,56 MHz) ve mikrodalgalar

(2,47GHz) genellikle kullanılan yüksek frekans güç kaynaklarıdır.Plazma yönteminde iki

elektroda da yüksek frekans uygulanarak bir reaksiyon odası ya da fırınında parlak deşarj

yapılır. Altlık,topraklanmış bir elektrot üstüne konmuştur. Üniform bir film oluşturmak için

karşı plakadan tepkime gazı yollanır. C2H2, CH4, C2H4,C2H6, CO gazları KNT üretiminde

tipik olarak kullanılan gazlardır.Fe, Ni ve Co gibi katalizör metaller, Si, SiO2 ya da cam

altlık üzerine ısıl KBÇ ya da püskürtme kullanılarak uygulanırlar.Altlık üzerindeki çökeltilmiş

metal, amonyak ya da H2 kullanılarak dağlanabilir.Nanoskobik küçüklükte metal parçalar

oluştuktan sonra, yüksek frekanslı güç kaynağından güç alan parlak plazma deşarjı ile

KNT’ler bu metal parçacıklar üzerinde büyürler. C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO gibi reaksiyon

gazları işlem sırasında reaksiyon odasına yollanırlar.

Şekil 22. Plazmayla Güçlendirilmiş KBÇ Cihazının Şematik Çizimi.

Şekil 23. Plazmayla Güçlendirilmiş Şekil 24.Plazmayla Güçlendirilmiş

KBÇ Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin KBÇ Yöntemiyle Üretilmiş KNTlerin

SEM Görüntüleri. TEM Görüntüleri.

6.2.4. Mikrodalga Plazmayla Kimyasal Buhar Çökeltme(MDPGBÇ, MWPCVD)

Mikrodalga plazmayla kimyasal buhar çökeltme yönteminde,KNT’lerin atmosferik

basınçlarda üretilmesi söz konusudur.Yöntemin düzeneğinde mikrodalga gücü bir mikrodalga

jeneratörü tarafından sağlanır. Dalgalar; dalga rehberi, eşleştirme ünitesi ve bir eş eksenli

hattan geçerek demirden bir üfleç elektroda gider. Karbon kaynağı olarak CH4 gibi

konvansiyonel gazlar kullanılırken, argon ve hidrojen de çökeltmenin sağlanması için

dışardan üflece eklenir. Gazların akış hızları elektronik gaz akış kontrolörleri tarafından

kontrol edilir. Üfleçte oluşan plazma boşalması kuartz bir tüp ile çevrelenerek dış atmosferden

korunur. KNT üretimi için gerekli olan altlık,elektrot nozülün üstündeki kuartz tübün üstünde

duran bir kapağa bağlanmış kuartz tutucu üzerine konulur. Altlık olarak silikon malzemeler

kullanılabilir.Akış halindeki argon gazı içerisinde (1000 sccm) plazma üfleci ateşlendikten

sonra, 300 sccm H2 ve 10-50 sccm CH4’ten oluşan çökeltme karışımı eklenir. Son olarak

nozülden arzu edilen bir uzaklığa altlık yerleştirilir.MDPGBÇ yöntemiyle çok duvarlı

KNT’ler atmosferik basınçlar altında, altlık üzerine dışarıdan ısı uygulanmadan,düzgün sıralı

bir şekilde üretilebilmektedir. Altlığın çabuk ısıtılabilmesi ve eş zamanlı olarak reaktif karbon

türlerinin boşalmadaki yüksek konsantrasyonları, bu yöntemin avantajları olarak sayılabilir.

6.2.5. Buhar Fazında Büyütme

KNT’lerin gaz karbon kaynaklardan üretim yöntemlerinin çoğunda, KNTG’ler metal

katalizörlerin bir altlık üzerine C2H2, CH4, C2H4, C2H6 gibi konvansiyonel gazlar kullanılarak

çökeltilmesiyle üretilmektedir.Buhar fazında büyütme yönteminde ise KNT’ler, tepkime gazı

ve metal katalizörün tepkime odasına bir altlık bulunmadan gönderilmesiyle üretilirler.Seri

üretim için uygun bir yöntem olduğu bilinmektedir.Kütle akış kontrolörü bir köşede

konulmuştur ve metal katalizörlerin bulunduğu tekne tepkime odasının içindedir. Oda,

iki bölüm fırından oluşmaktadır. Göreceli olarak daha düşük sıcaklık ilk fırında sağlanırken,

asıl tepkimenin oluştuğu ikinci fırında sıcaklık daha yüksektir.İlk fırında hidrokarbon gaz

her ne kadar ayrışmasa da, metal katalizörün buharlaşması için gerekli sıcaklık sağlanmış

olur. Tozdan buharlaşan metal katalizörler atomik olsalar da, odanın içinde çarpışarak küçük

tanecikler haline gelecek şekilde toplanırlar. Düşük sıcaklık bölgesinde metal tozundan

buharlaşan küçük katalizör taneleri ikinci fırına ulaştıklarında, sıcak bölgede ayrışmış

karbonlar tarafından abzorbe olunur, metal katalizör parçalarına difüze olur ve KNT olarak

sentezlenir.

Şekil 25. Buhar Fazında Büyütme Cihazının Şematik Çizimi.

Şekil 26. Buhar Fazında Büyütme Şekil 27. Buhar Fazında Büyütme

Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin Yöntemiyle Üretilmiş KNT’lerin

SEM Görüntüleri. TEM Görüntüleri.

6.3.Diğer Sentezleme Yöntemleri

Bu yöntemler sıklıkla kullanılmamakla beraber, daha çok deneysel ve geliştirme aşamasındaki

uygulama olan diğer sentezleme yöntemlerinde hidrotermal sentezleme ve elektroliz yöntemi

olarak iki grupta irdelenebilir.

6.3.1.Hidrotermal Sentezleme

Hidrotermal sentezleme yönteminde, çeşitli teknikler kullanılarak yüksek basınç altında bir

sulu çözeltiden maddeler kristalize edilmektedir. Yöntem “hidrotermal metot” olarak da

anılmaktadır. Kristal büyümesi, besleyici malzemenin su ile beraber yollandığı çelikten

yapılmış basınçlı bir kap olan otoklav içinde gerçekleşir. Odanın karşılıklı tarafları

farklı sıcaklıklardadır. Bu sayede sıcak tarafta besleyici madde çözülürken, soğuk tarafta

tohumların ek büyümesi sağlanır.

Farklı sınıflara ait birçok bileşik, hidrotermal koşullarda üretilebilmektedir. Elementler, basit

ve karmaşık oksitler,tungstatlar, molibdetler, karbonatlar, silikatlar, germanatlar üretilen

bileşiklere örnek olarak verilebilir. Hidrotermal sentezleme ticari değeri olan sentetik kuartz

ve değerli taşların üretiminde kullanılır.Verimli bir şekilde üretilen kristallerden bazıları

zümrüt, yakut, kuartz ve aleksandritlerdir.

Hidrotermal metotta üç farklı çeşit uygulama vardır. En çok kullanılan yöntem sıcaklık farkı

yöntemidir. Aşırı doyurma işlemi kristal büyüme bölgesinde sıcaklığın düşürülmesiyle

sağlanır.Besleyici madde otoklavın alt kısmında belirli bir miktar çözücüyle beraber konur.

Otoklav, farklı iki sıcaklık bölgesi oluşturulacak şekilde ısıtılır.Besleyici malzeme daha

sıcak bölgede çözünürken, alt kısımdaki doymuş sulu çözelti,çözeltinin konvektif hareketiyle

üst kısma taşınır. Üst kısımdaki daha soğuk ve yoğun çözelti alçalırken, karşı akıştaki çözelti

yükselir. Sıcaklıktaki düşüş sebebiyle çözelti üst kısımda aşırı doymuş hâle gelir ve

kristalizasyon başlar.

İkinci yöntem olan sıcaklık düşürme yönteminde kristalizasyon,büyütme ve ayrışma bölgeleri

arasında sıcaklık farkı olmadan oluşur. Aşırı doyurma çözeltinin otoklav içinde dereceli bir

şekilde soğutulmasıyla yapılır. Bu yöntemin dezavantajı büyüme işleminin kontrolünün ve

tohum kristalin girişinin zor yapılmasıdır.Bu sebepten ötürü bu teknik çok nadir kullanılır.

Yarı kararlı faz yönteminde ise, büyütülecek faz ile başlangıç malzemesi görevi yapan fazın

arasındaki çözünebilirlik farkından yararlanılır. Besleyici madde içerisinde büyütme

koşullarında termodinamik olarak kararsız davranan bileşenler konulur. Yarı kararlı fazın

çözünebilirliği kararlı fazınkini geçer. Kararlı faz yarı kararlı fazın çözünmesine bağlı olarak

kristalleşir. Bu teknik genel olarak diğer iki teknikle beraber birlikte kullanılırlar.

Hidrotermal sentezleme karbon malzemelerin üretiminde de önemli bir yöntem olmuştur.

Polivinil klorür bazlı kokun 100 MPa ve 600oC gibi düşük basınç ve sıcaklık değerlerinde

su ve kalsiyum karbonat ile tepkimeye girerek grafitize olduğu görülmüştür, aynı araştırma

dahilinde 1 GPa ve 1400oC değerlerinde su kullanılmadığı durumda grafitizasyon

görülmemiştir. Karbon kaplamalar, yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta suyla

oluşturulabilmektedir.Daha sonra yapılan hidrotermal deneylerde içi boş bazı karbon

yapılarına rastlanmıştır.Bambu benzeri karbon filamanların, bir altlık üzerinde dizilmiş halde

de üretimi dahil olmak üzere, hidrotermal sentezlenmesi,bu yöntemin KNT’lerin üretimi için

belli bir potansiyel taşıdığını göstermiştir.Bu yöntemin uygulandığı deneylerde yüksek

yoğunluklu polietilen levha ya da etilen glikol, su ve nikel tozu kullanılmış, bunlar altın

kapsüller içinde yüksek basınç ve sıcaklık altında tepkimeye uğratılmıştır.Sonuç olarak,

çapları 10 nm ila 1,3 μm arasında değişen çok duvarlı tüpler elde edilmiştir. Oluşan tüpler

oldukça düzgün sıralanmış grafitik duvar yapılarına ve geniş kanallara sahiptirler. Grafitik

çökeltilerin şekilleri karbon filamanlarına oldukça benzemektedir. Yüksek derecedeki

grafitizasyonları ve geniş iç kanalları sayesindeyse farklılık göstermektedirler.Tüp içinde sıvı

tutabilmeleri, grafit tabakası sürekliliklerinin yüksek derecede olduğunu ve yüksek dayanıma

sahip olduklarını ispatlamaktadır.

Hidrotermal karbon tüplerinin sentezlenmesi, karbon, oksijen ve hidrojen atomlarının gerekli

oranının sağlanması dışında kullanılan karbon kaynağının çeşidine bağımlı değildir. Hemen

hemen her hidrokarbon/su karışımı uygun bir şekilde formüle edilebilir. Her ne kadar nikel

katalizörü işlem için zorunlu gözükse de, grafitin büyümesinin nikel ile ilişkili olmadığı

görülmüştür.Ortamdaki suyun büyük iç kanalların ve yüksek grafitik yapının oluşumundan

sorumlu olduğu gözükmektedir.Su olmadan yapılan uygulamalarda daha az grafitik

yapı, çok sayıda kapalı iç yapıların oluşumuyla karşılaşılmıştır.

Şekil 28. Hidrotermal Sentezleme Cihazı Kurulumu.

6.3.2.Elektroliz

Bu yöntemde ergiyik lityum klorürün, grafit bir hücre kullanılarak elektrolize edilmesiyle çok

duvarlı nanotüplerin üretimi yapılır.Grafit hücrenin içindeki anot grafit bir potadır.

Grafit potanın atmosferdeki sıcaklığı yaklaşık 600oC’dir. 3–20 A ve 20 V’tan az DC güç

kullanıldığında 2–10 nm çaplı ve 0,5 μm ya da daha fazla uzunlukta çok duvarlı nanotüpler

bu yöntemle üretilebilmektedir. Amorf karbonlar KNT’lerin içinde yan ürün olarak

oluşmaktadır[1].

BÖLÜM 7. KARBON NANOTÜPLERiN TEKNOLOJİDEKİ UYGULAMA

ALANLARI VE YAPILAN ÇALIŞMALAR

Nanotüplerin taşıdıkları önem uygulamalarda sağladıkları farklarla rahatça

anlaşılabilmektedir.Dünyada ve ülkemizde nanotüpler üzerinde yapılan kimi çalışmalarda

ticari uygulamalara dahi geçilmiştir,kimi çalışmalar ise şu an teoride beklemektedir.Özellikle

mühendislik açısından günümüzde uygulamaların ve geleceğe dair öngörülerin anlaşılması,

bu teknolojiye dair açık bir vizyonun oluşumunu sağlayacaktır.Konunun dünya üzerindeki

öneminin anlaşılması adına bir bilimsel makale arama sitesinden bakıldığında, sadece bir

yıllık süre içinde bile KNT’lerle ilgili 1000’den fazla yayım olduğu görülmektedir.

Nanotüpler, tüm dünyada birçok araştırma grubu tarafından üzerinde çalışma yapılan bir

alandır.Yaklaşık 20 senedir yapılan çalışmaların sonuçları günümüzde alınmaya başlanmıştır.

Halihazırda sınırlı endüstriyel boyutta uygulamalarına dahi geçilmiş olsa da büyük çaplı

endüstriyel uygulamalar için, bir miktar zamana daha ihtiyaç bulunmaktadır.Özellikle,

geleceğe dair uygulama planları çok önemli kazanımlar vaat etmektedir[1].

7.1.Günümüzdeki Uygulamaları

Günümüzdeki nanotüp uygulamaları kısıtlı oranlarda olup, geniş kitlelerce kullanılır

bir hâlde bulunmamaktadır.Yine de özellikle nanotüplerin teorideki özelliklerinin

kullanılabilir hâle geçebildiğini ispatladıklarından ötürü büyük önem taşımaktadırlar.

Ayrıca, bu uygulamalardan yola çıkılarak yeni alanlara yönelme, iyileştirme çalışmalarının

yapılabilmesi, uzun vadeli planlar üzerinde yeni ufukların açılabilmesi mümkün

olmaktadır.Nanotüp teknolojisinin uygun fiyatla, seri imalatta kullanılabilir hâle gelmesi

endüstriyel uygulamalarda kullanılabilirliğinin artmasını sağlayacaktır.

7.1.1 Sensörler ve Sondalar

Karbon nanotüpler algılama uygulamaları için bazı avantajlara sahiptirler. Genis yüzeyleri ile

küçük boyutları; yüksek duyarlılık, hızlı yanıt verme ve oda sıcaklıgında uygun tersinirlikleri

karbon nanotüpleri gaz molekül sensörü olarak kullanmakta olanaklı kılmaktadır.

Elektrokimyasal reaksiyonlarda elektrot olarak kullanıldıklarında elektron geçisini artırmaları

ve potansiyel biyosensör olarak hatırlama yetenegiyle proteinleri kolay tespit etme, istenen

uygulamalar arasındadır. Çalısmalar, nanotüp sensörlerin duyarlılıgında nanotüplerdeki yüzey

degisikliklerinin rol oynadıgını göstermektedir. Bu sensörlerin en önemli avantajı,

nanotüplerin nanoboyutları element ve uygun nanoboyutlu malzemeleri hissetmesidir.

Nanotüplerin mekanik saglamlıgı ve düsük ısı veya basınç ile bükülme kuvveti sonda ömrünü

uzatır. Karbon nanotüplerin yüzeyde siddetli kazaların tekrarlanmasındaki bozulmaları en

azdır. Silindirik sekil ve küçük tüp çapı, dar ve derin yarıkların görüntüsünü almaya izin verir

ve geleneksel sondalara kıyasla gelismis çözünürlükleri bilhassa girintili çıkıntılı örnekler için

elverislidir.

Karbon nanotüplerin elektronik özellikleri, elektrot malzemesi olarak kullanıldıgında,

elektron geçis reaksiyonları ile çözeltideki elektroaktif çesitlerine aracılık edecegini

göstermektedir. Bu durum, minyatür kimyasal sensörlerde kullanılabilecek karbon nanotüp

bazlı elektrotlar fikrinin gelismesine yol açmıstır. Karbon nanotüplü malzemeler, geleneksel

karbon elektrotlardan daha iyi iletkenlige sahiptirler ve kimyasal kararlılıkları yüksektir.Tek

duvarlı nanotüplerin elektriksel özdirenci, NO2,NH3 ve O2 içeren gaz ortamlarda,

duyarlılıklarındaki degisime göre bulunabilmektedir.Burada degisim izlenerek hangi gazların

var oldugu saptanabilmektedir.

Sonuçlar, karbon nanotüplerin oda sıcaklıgında veya daha yüksek sıcaklıklarda

algılamavuygulamalarında kullanılabileceklerini göstermistir.Bu algılama uygulamaları, araç

lastiklerinde kullanmak için de arastırılmaya baslanmıstır.Küçük bir sensör, asırı sıcaklık ve

titresimlere dayanabildigi sürece, lastik basıncını sürücüye bildirebilir.

Tek duvarlı nanotüpler, iletkenliklerinden dolayı, taramalı tünelleme mikroskobu,atomik

kuvvet mikroskobu ve elektrostatik kuvvet mikroskobu gibi mikroskop uçlarında tarama

sondası olarak kullanılabilmektedirler.Nanotüp uçlar ayrıca, yüksek çözünürlüklü

görüntülemede ve yüzey islemede de kullanılmaktadırlar.

Çok duvarlı karbon nanotüpler, biyosensörlerin gelistirilmesinde kullanılmaya baslanmıstır.

Karbon nanotüplü elektrotlar, karbon nanotüp duvarlarında ve içinde enzimler ve diger redoks

proteinleri tespit etmek için kullanılırlar.Deneyler,küçük proteinlerin basit bir yöntemle

karbon nanotüplerin içine yakalanabilecegini göstermistir.

Yarıiletken karbon nanotüplerin temel elektronik özellikleri manyetik alan içinde

degismektedir.Küçük “bant aralıgı” ile bilinen diger malzemeler arasında essiz bir konuma

sahiptir. Uygun bant aralıklarıyla nanotüplerin, bilgisayar endüstrisinde kullanım potansiyeli

silikon ve galyum arsenide göre oldukça yüksektir.Nanotüplerin bant aralıklarının çok güçlü

manyetik alanda neredeyse yok olabilmesi, bilgisayar endüstrisinde devrim yaratmıstır.

7.1.2 İnce Ekranlar

Nanotüp bazlı lambalar, fosfor kaplı alttasa karsı nanotüp kaplı yüzey içeren ekranlara

benzemektedir.Bu lambalar,8000 saatten fazla olması beklenen ömürleri ile çevresel

olarak problemli olan stadyum tarzı ekranlarda kullanılan civa bazlı floresan lambaların

yerine geçecek gibi gözükmektedirler. Eger anotta fosfor ekran yerine metal hedef

kullanılırsa baska uygulama alanları da ortaya çıkmaktadır. Nanotüp tabanlı gaz bosalım

tüpleri ayrıca güç kesintisinden koruyucu telekominikasyon aglarında ticari olarak

kullanılabilmektedir[10].

Televizyon ve bilgisayarda kullanılan büyük, parlak ve düz ekranların özellikleri yeni

nanomalzemelerin gelistirilmesi için ortam yaratmaktadır. Bu alanda selenit, çinko sülfit,

kadmiyum sülfit ve kursun tellurit nano kristallerinden büyük beklentiler vardır.Bu konuda

ve özellikle düsük enerji tüketen, sağlam, net görüntülü ekranlar için karbon nanotüpler

üzerinde de yoğun çalısma vardır[11].

7.1.3 Elektrik Alan Salımlı Aygıtlar

Alan salımı, termoiyonik salımla kıyaslandıgında bir kuvantum etkisi göstermektedir.

Teknolojik uygulamalar için elektron salıcı malzemeler düsük esikli salım alanına ve

sabit akım yogunluguna sahip olmalıdırlar.

Şekil 29. a.Karbon nanotüp kullanılarak yapılan alan salımlı aygıt modeli

b.Karbon nanotüp kullanılarak Samsung tarafından yapılan ilk alan salımlı

aygıt örnegi (Dr. W. Choi-Samsung Advanced Institute of Technologies)

Karbon nanotüplerin, nanometre boyutundaki çapları, yapısal bütünlükleri, yüksek

elektrik iletkenlikleri ve kimyasal kararlılık gibi özelliklere sahip olmaları, onları iyi

elektron yayıcısı yapmaktadır.

Karbon nanotüplerden ilk alan emisyonu 1995’de Rinzler tarafından çok duvarlı

nanotüplerden ayrılmıs tek duvarlı nanotüplerden,Heer tarafından çok duvarlı

nanotüplerden gerçeklestirilmistir.

Elektronik aygıtlardaki arastırmalar karbon nanotüplerin, ince ekranlar için alan salımlı

elektronik kaynaklar,lambalar,x-ısını ve mikrodalga üreteçlerde kullanımında

odaklanmıstır[10].

Yapılan araştırmalarda KNT’lerin elektron yayılımında oldukça verimli araçlar oldukları

ortaya çıkmıştır. Bu özellikleriyle televizyon veya bilgisayar ekranlarında veya elektron

üretmesi gereken bir katoda ihtiyaç duyulan her türlü uygulamalarda

kullanılabilmektedirler[1].

7.1.4 Enerji Depolama

Grafit, karbonlu malzemeler ve karbon fiber elektrotlar yıllardır yakıt hücrelerinde, pillerde ve

diger elektrokimyasal uygulamalarda kullanılmaktadır. Karbon nanotüplerin küçük boyutları,

düzgün yüzey topolojileri ve mükemmel yüzey belirlilikleri nedeniyle enerji üretimi ve

depolama için kullanımları üzerinde çalısmalara yeni yeni baslanmıstır.Karbon nanotüpler

üzerinde yapılan çesitli çalısmalarda, yakıt pillerinin verimlilikleri, karbon elektrotlarında

elektron geçis hızıyla belirlenmistir.

7.1.5 Elektrokimyasal Aygıtlar

TDNT’ler, sıradan dielektrik bazlı kapasitör ve robotlarda kullanılan elektrokimyasal

çalıstırıcılardan çok daha genis olan “süperkapasitörler” gibi uygulamalara sahiptirler.

Yüksek bosalım hızlarında depolama kapasitesinin yüksek tersinir bileseni olması

nedeniyle nanotüplerin lityum pillerindeki elektrotlarda kullanımı mümkündür. Tekrar

doldurulabilir Lityum pillerinin her iki elektrotun arasına karbon nanotüp ekleyerek

yüksek enerji kapasitesine sahip, hızlı doldurulan ve uzun kullanım zamanına sahip

piller elde edilebilmektedir.

7.1.6 Nanometre-Boyutlu Elektronik Aygıtlar

Son ilerlemeler, nanotüplerin daha küçük boyutlarda devre üretebilecegi fikrine yol

açmaktadır. Simdilik, çap çok küçük oldugunda akım olusturan elektrogöç, geleneksel

metal tellerin birbirine baglanmasında basarısızlıga neden olmaktadır. Karbon nanotüplerin

kovalent baglı yapıları, iç direncinin yok olmasından dolayı nanotüplerin benzer bozulmaya

ugramasına engel olmaktadır. Deneysel sonuçlar, normal metallerin akım yogunlugunun

sadece 105 A/cm2 olmasına karsın metalik tek duvarlı nanotüplerin akım yogunlugunun

109 A/cm2 oldugunu göstermistir (Iijima 1991).

Alan etkili transistörlerin (NT-FETs) arastırmaları, nanotüplerin kaynak kanal yapının

yerine geçmesini hedeflemektedir. Nanotüpler ile birlesmis transistörlerin çalısması,

nanotüplerin yarıiletken ya da metalik olarak seçilmesine baglı olmaktadır. Tek duvarlı

nanotüpler üç veya dört terminalli elektronik aygıtlar yanında kalıcı hafızalı fonksiyonlar

yapımında da kullanılmaktadır. Silikon üzerine sekillendirilmis büyüyen karbon nanotüpler,

elektronik aygıtla dogrudan bütünlestirilebilir[10].

7.1.7 Mikroskop Probları

Yüksek dayanımlarından ötürü KNT’ler taramalı uç mikroskoplarında (SPM)

kullanılmaktadır.KNT’lerin kullanımıyla daha yüksek dayanıma sahip uçlar elde edilmiş

ve yüzeyler daha yüksek çözünürlükle incelenebilmiştir.Bu tip uygulamalarda, konvansiyonel

olarak kullanılan seramik uçlu kuvvet sensörleri yerine çok duvarlı nanotüpler tercih

edilmektedir.

Ayrıca KNT’ler, kimyasal kuvvet mikroskoplarında (CFM)kimyasal seçiciliklerinden

yararlanılarak seçilmiş görüntüler almak için kullanılmaktadırlar.Nanotüplerin kimyasal

olarak en reaktif oldukları uç kısımları uygulama türüne göre fonksiyonelleştirilerek

uzaysal çözünürlük arttırılmaktadır.

7.1.8 Kimyasal Sensörler

Yarı iletken tek duvarlı KNT’lerin, oda sıcaklığında kendilerini çevreleyen atmosferdeki

kimyasal değişimlere karşı oldukça hassas oldukları görülmüştür.Genel olarak bakıldığında

yeni nesil nanotüp bazlı sensörler, standart sensörlerden üçüncü kuvvet derecesinde daha

hassastır. Öte yandan nanotüp kullanılan bu cihazlar, hâlen kullanımda olanlardan çok

daha küçük basit yapılar olup, oda sıcaklıklarında çalışabilmektedir ve de sahip oldukları

seçicilikle tek bir cihaz farklı birçok uygulama için kullanıma uygun olmaktadır.

7.1.10 Üç Boyutlu Güneş Hücreleri

Günümüzde kullanılan güneş hücreleri iki boyutludur ve üzerlerine gelen güneş ışığının bir

kısmını geri yansıtırlar. Üç boyutlu güneş hücrelerinin ise üzerlerine gelen güneş ışığının

neredeyse hepsini yakalayabilmesi ve bu sayede verimin yüksek oranlarda artması, ağırlık ve

mekanik karmaşıklığın düşebilmesi mümkündür.

Şekil 30. 3B Güneş Hücresi Şekil 31. Nanotüp Takviyeli Bisiklet

7.1.11 Nanotüple Alaşımlandırılmış Karbon Fiberler

KNT’lerle alaşımlandırılmış karbon fiberlerin geliştirilmiş reçine sistemiyle üretildiği

malzemeden üretilen bir bisiklet gövdesi,BMC bisiklet firması tarafından üretildi.Bisiklet

gövdesi sadece bir kilogramın altında bir ağırlığa sahip olmasıyla beraber, yüksek rijitliğe ve

dayanıma sahiptir.ABD’li bisikletçi Floyd Landis bu bisikletle, dünyanın en prestijli bisiklet

yarışı sayılan Tour de France’ı 2006 yılında kazanmıştır[1].

7.1.12 Ayakkabı Altlığı

Adidas, Lone Star adını verdigi, dünyanın ilk karbon nanotüple kuvvetlendilmis tabana sahip

ayakkabısını gelistirdiklerini duyurdu. Daha önce tenis raketi, beyzbol sopası gibi ürünlerde

kullanılan karbon nanotüpler, bu sefer ayakkabı altlıgında kullanılmıs oldu.

Şekil 32.Adidas Lone Star

Karbon nanotüplerin mekanik ve kimyasal bagları altlıgın ömrünü ve bütünlügünü artırıyor.

Yeni altlık Adidas'ın daha önce tasarladıgı 3 parçalık tasarımdan daha esnek. Eskisinin üçte

biri kalınlıga ve yarısı kadar agırlıga sahip yeni altlık Adidas'ın ürettigi en hafif altlık[12].

7.1.13 Elektrik Kablosu ve Hattı Olarak Elektrik akımı taşıyan telleri saf nanotüpler ve nanotüp-polimer kompozitler ile imal

edilebilmektedir. Son zamanlarda küçük teller, belirli bir iletkenlik değeri olan bakır ve

alüminyum malzeme ile imal edilmiştir; bu kablolarda iletkenlik değeri iyi olmasına karşılık

taşınan akım cm2’de karbon nanotüp malzemenin taşıdığı akımdan 1000 kat daha küçüktür

(Zhao ve ark., 2011) [9].

7.2 Geleceğe Yönelik Uygulama Planları Nanotüp uygulamalarında özellikle heyecan uyandıran kısım bu gruba dahil olmaktadır.

Nanotüp teknolojisinde teoriyle pratiğin buluştuğu noktada, bu uygulamaların hayata

geçirilebileceği umulmaktadır.Günümüzde bu tip uygulamalar deneysel anlamda

yürütülmekte olup, ayrıca farklı alanlarda planlamalar ve tasarımlar sürdürülmektedir.

Nanotüplerin yapısal,kimyasal, elektriksel vd. özelliklerinden en fazla bu tür uygulamalarda

yararlanılmaya çalışılmaktadır[1].

7.2.1 Bataryalar

Mobil elektronik ekipmanlar için hafif, yüksek enerji kapasiteli bataryalara ihtiyaç gittikçe

artmaktadır. Bu alanda Sol-Jel tekniğiyle gelistirilen nano kristaller üzerinde çalısılmaktadır.

Nikel nano kristaller ve metal hidrit ile yapılan bataryalar, büyük tane yüzeyleri sayesinde,

daha seyrek sarj gereksinimi dolayısıyla üzerinde çalısılan bir diğer grubu temsil etmektedir.

Oto bataryaları için karbon nanotüp karıstırılmıs anot uygulanması üzerinde de

çalısılmaktadır[11].

7.2.2. Katalizözler

Karbon malzemeler, heterojen katalizörlü proseslerde kullanılan cezbedici destek

malzemeleridir.KNT’ler, diğer aktive edilmiş karbon yapılarına göre çok daha üstün

özellikleriyle katalizör desteği malzemeler olarak kullanılmaktadır.KNT’lerin morfolojileri,

boyutları, özellikle boy en oranlarının çok büyük olması katalitik olarak aktif olan metal

parçacıklar üzerine yayılmalarını kolaylaştırmaktadır[1].

Nanoparçaçıklar sahip oldukları genis yüzey sayesinde katalitik uygulamalar için son derece

uygundurlar. Bu alanda çok çalısma yapılmaktadır. Örneğin oto katalitik konverterlerde

kullanılan platinyum grubu metaller yerine baska sistemler üzerinde çalısılmaktadır.

Platinyum grubu metaller doğada az bulunmaktadır. Bu konuda yeni katalizörler

tasarlanmaktadır. Bu tasarımlar nanomalzemelerin daha genis yüzeyinden kaynaklanan üstün

reaktivite özelliklerinden faydalanmaktadır. Karbon nanotüpler ve diğer nano malzemeleri

kullanarak civa ve kobalt gibi ağır metalleri yakalayan filtreler gelistirilmektedir[11].

7.2.3 Elektronik Burun

Son zamanlarda nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte,daha hızlı ve daha duyarlı elektronik

burun sistemleri geliştirmek için nano malzemeler de kullanılmaya başlanmıştır.Karbon

nanotüpler bu alanda kullanılan ilk nano malzemelerdir.Yüzeyleri değişik kimyasal

maddelerle değiştirilmiş karbon nanotüpler koku molekülleriyle etkileştikleri zaman

iletkenliklerindeki değişim incelenerek elektronik burun sistemleri yapılmıştır.

Elektronik burun alanında hızlı bir şekilde yaşanan bu gelişmelerle hassasiyet, seçicilik, düşük

enerji kullanımı ve maliyet, taşınabilirlik, güvenirlilik gibi özelliklerin hepsini içeren bir

sistem üretilmesi hedeflenmektedir. Nanoteknoloji kullanılarak insan burnundan çok daha

hassas elektronik burun sistemlerinin, uygun maliyetle üretilmesinin mümkün olduğu

gösterilmiştir. Bir gün taşınabilir,hassas ve yeterince ucuz elektronik veya fotonik burunlar

üretildiğinde pek çok farklı kullanım alanı ortaya çıkacaktır[17].

7.2.4 Kanser Tedavisi

Amerikalı bilimadamları,nanoteknolojiyle, kansere yol açan toksinleri tespit edebilen çok

küçük bir algılayıcı gelistirdi. Vücuttaki belirli kimyasal maddelerin izlenebilmesi imkânı

saglayan algılayıcı, kanser ilaçlarının canlı hücreler üzerindeki etkisini de takip edebiliyor.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Michael Strano, "karbon nanotüpleri" olarak

adlandırılan karbon moleküllerinin ince iplikçiklerinden yapılan ve DNA ile kaplanan

algılayıcının insan vücudundaki canlı hücrelerden çok daha küçük oldugunu söyledi.

Algılayıcı, yakın-kızılötesi ısık tayfında saptanabilen floresan ısıgı yayıyor.İnsan dokularının

aynı tayfta ısık yaymaması sayesinde algılayıcı göze çarpıyor.Isıgın sinyali, algılayıcı hücre

içinde DNA ile etkilesime girdiginde degisiyor. Bu degisimler, bilim adamlarının belirli

molekülleri tanımlamasına yardımcı oluyor. Algılayıcının DNA ile kaplanmıs olması canlı

hücrelerin içine güvenle enjekte edilmesine imkan saglıyor.

Şekil 33. Algılayıcı protatipi

Çok düsük miktardaki kimyasalların vücuda etkilerini saptamak için etkili bir araç olarak

hemen kullanılmaya baslanabilecegi belirtilen algılayıcının zamanla, insan vücudunun

görüntülenmesinde alternatif bir yöntem olarak da kullanılabilecegi kaydediliyor.

7.2.5 Hisseden Teknoloji

Hisseden teknoloji, Karbon nanotüp agı üzerine kurulmus bir nanoelektronik tespit

platformudur. Birbirinden ayrı bir veya iki tespit elemanına sahip ince bir tespit çipi içerir.

Tespit elemanlarının her biri, özel hedefi (analizi yapılacak madde) çözümlemek için

bagımsız olarak fonksiyonel haldedir. Karbon nanotüplerin kendine has özellikleri ve

nanoyapı tescilli üretim tekniklerinin gelistirdigi bu cihaz, az enerji tüketimine sahip, boyutu

küçük ve yüksek hassasiyete sahip bir cihazdır.

Şekil 34. Nanotüp aglardan olusmus nanoelektronik tespit aleti

Bu teknoloji, nano yapıların ayrı ayrı yönlendirilmesi yerine, Karbon nanotüplerin gelisi güzel

ag kurmasından faydalanır. Aygıt, analizi yapılacak madde ile etkilesime girer ve gerçeklesen

degisimleri elektronik simgelerle izlenecek hale dönüstürür. Karbon nanotüpler, ' özgünlük,

hassasiyet, dinamikler ve sınıflandırma' gibi pek çok karakteristik özellikleri ortaya

çıkarabilmek için, çok degisik kimyasal tanıma yöntemleri kullanılarak fonksiyonel hale

getirilirler[12].

7.2.6 Elektronik Devrelerde

IBM araştırmacıları, dünyada ilk defa tek bir molekül içinde mantıklı bilgisayar devresi

geliştirerek,çalıştırmayı başardılar.Karbon atomlarının oluşturduğu, saç telinden 100.000 kat

daha ince tüp şeklindeki bir molekülden, karbon nanotüplerden,günümüz bilgisayarlarında

bulunan üç temel devreden biri olan “voltaj çevirici”yi üretmeyi gerçekleştirdiler.

Nanotüplerle, NOT kapısı adında bir voltaj çevirici devre elde edildi. Tek bir karbon

nanotüpünün boyuna çevirici mantık fonksiyonunu şifreleyen bilimadamları, dünyanın ilk

intra moleküler ya da tek moleküllü mantık devresini kurdular. Sıfırların ve birlerin hakim

olduğu iki haneli dijital dünyamızda voltaj çeviricisi, bilgisayar çiplerinde 1’leri 0’a , 0’ları da

1’e dönüştürüyor.Günümüzde bilgisayar işlemcileri, “AND” ve “OR” kapıları gibi temel iki

işlevin yanı sıra, “NOT” kapısının çok daha karmaşık ve geniş kombinasyonlarından

oluşuyor.

Voltaj çeviricilerde farklı elektronik özelliklere sahip iki tür transistör bulunuyor.Bunlar;

elektronların elektrik akımını taşıdığı n türü transistörler ve elektronların bulunmadığı delik

denilen bölgelerde elektrik akımının taşındığı p transistörleri.Bugüne dek geliştirilen tüm

karbon nanotüpler sahip oldukları p türü transistörler nedeniyle, mantıklı bilgisayar

devrelerinin kurulmasına elverişli değildi.Bilim adamları,potasyum atomlarını ekleyerek

nanotüp transistörlerin özelliklerini değiştirdiler.Bu sayede p tipi nanotüp transistörlerinin, n

tipi transistörlere dönüşümünü gerçekleştirmişlerdir. P tipi transistörler vakum içinde

ısıtıldığında, n tipi transistörlere dönüşüyor, havaya maruz bırakıldığında ise, süreç tersine

işliyor. Bilim adamları ayrıca bazı bölümleri n tipine dönüştürülen nanotüpte bazı

bölümlerinde p tipi olabileceğini ortaya çıkarttılar.Dünyanın ilk tek moleküllü mantıklı

devresi de, bu bulgular ışığında inşa edildi.

Nanotüpler yapılarına göre değişerek metal veya yarıiletken olabilirler. Bunlar aynı zamanda

aşırı dayanıklı maddelerdir ve iyi ısısal iletkenliğe sahiptir.Bu karakteristik özelliklerine bağlı

olarak, nano-elektronik ve nano-mekanik devrelerde kullanım imkanı,nanotüplerin üzerinde

büyük ilgi doğurmuştur. Örneğin;nano kablo gibi kullanılabilir ya da entegre devreler içinde,

alan etkili transistörlerde olduğu gibi aktif bileşen olarak kullanılabilir.Transistörler entegre

devrelerin yapı taşlarıdır.Sadece çok katmanlı ya da tek katmanlı nanotüpleri kullanarak, alan

etkili transistör kanalı gibi, nanotüp transistörleri elde edilmiş ve başarılı olarak test edilmiştir.

Elektriksel özellikleri incelenmiş ve nanotüp kanalından geçen akımı, giriş kapısına

uygulanan gerilimi değiştirilerek, 100.000 çarpanına kadar değiştirilebildiği bulunmuştur.

Eğer alan etkili transistörü oda sıcaklığından 4ºK’e soğutursak, cihazın davranışının da dolaylı

olarak değiştiği görülür. Oda sıcaklığında cihaz (FET) alan etkili transistör gibi davranırken,

4ºK’de (SET) tek elektron transistörü gibi davranmaktadır.Bütün bu bilgiler ışığında karbon

nanotüpün , büyük bir hızla gelişmekte olan nano teknoloji ailesine çok rahat uyum sağladığı

ve gelecekteki teknolojik uygulamalarda yerini alacağı açıkça görülmektedir[7].

7.2.7 Ultrakapasitör MIT laboratuarlarında ultra kapasitörleri geliştirebilmek için karbon nanotüpler kullanıldı.

Aktif kömür kullanılan ultra kapasitörler üzerinde elektrik yükü depolamak için bir sürü nano

boyutta delikler mevcuttur [9].

7.2.8 Biyosensörler

Nanotıp alanında biyosensörler ilk olarak Dr. Meyyappan tarafından yarı iletken özellikte

tasarlanan ve sentezlenen karbon nanotüp yapılarla araştırılmaya başlanmıştır.Bu çalışmanın

amacı karbon nanotüp yapıda biyoalgılayıcıların mikroelektronik bileşenlere eşlenmesiyle

biyolojik sistemlerdeki elektrik veya elektrokimyasal sinyallerin tanınması ve okunabilmesini

sağlamaktır.

Dendrimerik katmansal yapıların günümüzde canlılarda çeşitli biyomolekülleri tanımaları ve

istenilen şekilde cevap vermeleri mümkündür. Bu yaklaşımla özgül DNA dizilerini veya

glikoz gibi herhangi bir serum biyomolekülünü tanımak, konsantrasyonunu saptamak ve bu

etkiye tepki vermeyecek nanoaraçların yapımı mümkündür.Benzer şekilde reseptörler

aracılığıyla, üzerinde taşıdıkları antikorlarla veya biyokimyasal yöntemlerle çeşitli hücre içi

ve hücre dışı olayları algılayabilen ve buna karşılık tanıdığı bölgede ilaç salınımı, enzimatik

aktivite veya mekanik bir etkileşimde bulunabilen nanoyapılar konusunda araştırmalar devam

etmektedir [18].

7.2.9 Şekil değiştiren uçaklar

Şekil değiştiren uçak [morphing aircraft]terimi, uçuş sırasında kanat plan şeklini [planform]

verilen bir kumanda sonucunda belirgin olarak değiştirebilme yeteneğine karşılık gelmektedir.

Uçuş sırasında şekil değiştirme yeteneği,yakıt ekonomisini, çok rollü görev kabiliyetini ve

görev performansını artırıcı bir etken olarak düşünülebilir.Şekil değiştiren uçaklar, kanat

şekillerini uçuş profillerinin her evresi için en uygun biçime getirebilme potansiyeline

sahiptirler.

Çeşitli malzemelerin çevresel uyarılara fiziksel özelliklerindeki değişimlerle yanıt verdikleri

bilinmektedir.Bu uyarılar ışık, ısı,manyetik etkiler, kimyasal değişimler, basınç ve elektrik

alanı ve diğer etkenler olabilir. Fiziksel özelliklerde değişimler ise fiziksel deformasyon,

optik veya manyetik özelliklerde değişim olabilir.Bu değişimler malzemenin özelliklerine

göre geçici veya sürekli gerçekleşebilir.Şekil değiştiren uçaklarda kullanılmak üzere seçilecek

malzemeler yapısal özelliklerde yüksek geri kazanım, dayanıklılık,esneklik, elastikiyet ve

çevre koşullarına dayanım gibi çeşitli özellikler taşımalıdır.Bu tür malzemelere örnek olarak

çoğunlukla Elektroaktif Polimerler [Electroactive Polymer-EAP] ve Şekil Hafızalı Polimerler

[Shape Memory Polymer-SHP] gösterilmektedir.Elektroaktif polimerler, bir uyarıya karşı

cevap verebilir ve ayarlanabilir özelliklere sahip oldukları için şekil değiştiren kanat

uygulamaları için uygun malzemeler olarak kabul edilebilir.İletken polimerler, iyonik

polimer-metal kompozitleri ve dielektrik elastomerler bu tür malzemelere örnek olarak

verilebilir.Esas olarak EAP,elektriksel enerjiyi mekanik enerjiye çevirebilme özelliğine

sahiptir.Malzemenin seçimi uyarıcıya bağlı gerinim [actutation strain], uyarıcı kuvveti,

uyarıcı hızı, uyarıcı voltajı, ve uygulama için gereken tepkeye bağlıdır.Literatürde, EAP’ye

örnek olarak iletken polimerlerin karbon nanotüp gibi iletken dolgu maddeleri ile birlikte

kullanımı dikkat çekmektedir. Karbon bazlı dolgu maddesi eklendiğinde polimer malzemeye

rijitlik özelliği kazandırılırken malzemenin şekil geri kazanımı için gerekli olan uyarıcı

performansı da artırılmış olur.

Son yıllarda şekil değiştiren yapılar için kompozit malzeme kullanımı dikkat çekmektedir.

Şekil hafızalı polimere iletken bir dolgu maddesi [karbon nanotüp, çinko gibi] eklendiğinde

şekil değiştiren kanatlarda kullanılmak üzere üstün özelliklere sahip kompozit malzemeler

elde edilebilir [19].

7.2.10 Radar Emilimi

Radarlar MWNT’ler tarafından emilebilen yüksek frekans mertebesinde çalışmaktadır.

MWNT kullanılan hava araçlarında radarda gözlemlenen görüntü daha da küçülmektedir.

Örneğin MWNT uygulamalarından biri uçağın üzerine boya olarak bu malzemenin

uygulanmasıdır. Son dönemlerde MWNT yapısının hava araçları üzerinde uygulanması

sonucu gizlenme hakkında önemli sonuçlara ulaşılmıştır. Bu, radar soğurma özelliklerinin

olduğu keşfedilmiş ve karbon nanotüplerin ne yansıtma nede görünür düzeyde bir ışınım

yapmadığı görülmüştür. Üretimde sıkıntılar yaşanmakta ve şuan için karbon nanotüp kaplı

hava aracı üretimi mümkün gözükmemektedir. Bu zorluğun önüne geçebilmek için karbon

nanotüp yapısına uygun boya hazırlamalı, boyanın içine nano partiküller yerleştirilerek, hava

araçlarının uygun yerleri boyanmalıdır (Bourzac, 2011)[9].

7.2.11 Biyosensörler

Nanotıp alanında biyosensörler ilk olarak Dr. Meyyappan tarafından yarı iletken özellikte

tasarlanan ve sentezlenen karbon nanotüp yapılarla araştırılmaya başlanmıştır.Bu çalışmanın

amacı karbon nanotüp yapıda biyoalgılayıcıların mikroelektronik bileşenlere eşlenmesiyle

biyolojik sistemlerdeki elektrik veya elektrokimyasal sinyallerin tanınması ve okunabilmesini

sağlamaktır.

Dendrimerik katmansal yapıların günümüzde canlılarda çeşitli biyomolekülleri tanımaları

ve istenilen şekilde cevap vermeleri mümkündür.Bu yaklaşımla özgül DNA dizilerini veya

glikoz gibi herhangi bir serum biyomolekülünü tanımak, konsantrasyonunu saptamak ve bu

etkiye tepki vermeyecek nanoaraçların yapımı mümkündür.Benzer şekilde reseptörler

aracılığıyla,üzerinde taşıdıkları antikorlarla veya biyokimyasal yöntemlerle çeşitli hücre içi ve

hücre dışı olayları algılayabilen ve buna karşılık tanıdığı bölgede ilaç salınımı, enzimatik

aktivite veya mekanik bir etkileşimde bulunabilen nanoyapılar konusunda araştırmalar

devam etmektedir[18].

7.2.12 Hidrojen Depolama

Hidrojen, nanotüplerde iki sekilde depolanabilmektedir. Zayıf “van der waals” etkilesimi

sonucu olusan fiziksel depolama ile depolanan hidrojen geri alınabilmekte ve sisteme tekrar

aynı miktarda hidrojen yüklenebilmektedir.Kovalent bagların olusumu ile kimyasal olarak

depolanan hidrojen ise ancak çok yüksek sıcaklıklarda geri alınabilecegi için faydalı kapasite

dısındadır.Karbon-bazlı hidrojen depolayıcılar üzerine yapılan teorik çalısmalar “fullerene”

orijinli bazı sistemlerde hidrojen depolamanın mümkün oldugunu göstermistir.Meregalli ve

Parrinello yaptıkları çalısmalarda karbon nanotüplerde agırlıkça %4-12 arasında hidrojen

depolanabildigini, ancak belirtilen bu miktarların ne kadarının fiziksel ne kadarının kimyasal

temelli oldugunun hesaplanmasının mümkün olmadıgını bildirmislerdir.

Karbon nanotüplerin hidrojen depolama kapasiteleri sırasıyla nanotüpün cinsine (tek duvarlı,

çok duvarlı), tüplerin kapalı veya açık olmasına, tüp ölçülerine (tüp çapı, uzunlugu vb.) ve tüp

yüzeylerinin aktifligine baglı olarak degisiklik göstermektedir[20]. Tek duvarlı karbon

nanotüplerin (SWCNT) çok duyarlı karbon nanotüplere (MWCNT) göre daha fazla hidrojen

depoladığı belirlenmiştir. [21]

Hidrojen depolama, enerji depolamayla ilgili en aktif çalısmalardan biri olmanın yanında en

tartısmalı olanıdır. Akademik dünya ve endüstride ilgi uyandıran asırı yüksek ve tersinir

hidrojen depolama, tek duvarlı nanotüpleri içeren malzemelerde gerçeklestigi bildirilmistir.

Bu malzemelerde hidrojen depolamanın temel mekanizmasının anlasılma eksikligi, önemli bir

sorun olarak ortada durmaktadır.Nanotüpler, içi bos olan orta kısımda H depolayabilir ve

bunu verimli ve ekonomik yakıt hücrelerinde kademeli olarak serbest bırakabilirler.

Şekil 35. Nanotüplerde hidrojen depolama (Daenen et al. 2003)

Hidrojen depolamanın ana yolu, gazın metal hibridler tarafından sogurulup saklanmasıdır.

Karbon nanotüplerin silindir sekil ve geometrileri ile nanometre boyutlu çaplarından

yararlanılarak, yeni gelistirilecek metal hibrid pillerde gazlar gibi sıvıları da içi bos olan orta

kısımda depolayabilecegi tahmin edilmektedir.[10]

Özellikle yüksek saflıkta nanotüp veya nano fiberlerin ucuz bir sekilde elde edilmesi ile ilgili

arastırmalar yogun olarak devam etmektedir.Yakın bir gelecekte bu yöntemin çok daha önem

kazanacagı açıktır.

Hidrojen enerjisi, yüksek ısıl degeri ve çevreyi kirletmemesi nedeniyle fosil yakıtların yerini

alacak en önemli alternatif enerji kaynagıdır. Yakın bir gelecekte hidrojenle çalısan araçlar ve

güç santralleri yogun bir sekilde kullanılmaya baslanacaktır[20].

BÖLÜM 8.SONUÇ

Nanotüpler konusundaki çalışmalar ve bulgular, 10 yıl gibi kısa sayılacak bir sürede büyük bir

gelişme göstermiştir.Nanotüplerin elde edilmesindeki yöntemlerin gelişmesiyle,istenilen

boyut ve şekilde nanotüpler elde edilebilmektedir.Bu konudaki çalışmalarla özellikle

teknolojideki kullanım için seri üretim tekniklerinin kısa bir sürede geliştirilmesi

beklenmektedir.Nanotüpler, pek çok farklı malzemenin gösterdikleri özellikleri tek başına

bünyesinde toplamaktadır[7]. İleri teknoloji ürünü malzemeler üretiminin bir parçası olan

KNT’ler, sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle üzerinde en çok çalışılan malzemeler

arasında yer almaktadır.

Birçok yöntemle sentezlenerek geniş kullanım alanı bulmaktadır.Sentezleme yöntemleri

arasında yüksek sıcaklıklarda az miktarda;fakat kaliteli ve yüksek saflıkta KNT üretilebilen

elektrik ark yönteminin yanı sıra daha fazla miktarlarda fakat daha düşük kalitede nanotüp

üretmeye yarayan KBÇ gibi yöntemler de mevcuttur.Üretim yöntemi seçiminde ihtiyacımız

olan nanotüp miktarı ve kalitesi önem kazanmaktadır.

KNT’lerin kullanım alanlarıyla ilgili yapılan birçok çalışmanın başarıya ulaşması sayesinde

çok dayanıklı malzemelerden iletkenliği isteğe bağlı olarak düzenlenmiş elektronik

parçalarına kadar birçok gelişme mümkün olacaktır.

Nanotüpler her ne kadar kullanım alanları açısından cevabı verilmemiş birçok soruyu,

aydınlanmamış birçok sırrı barındırsa da, bu küçük yapıların günlük hayatımızda önemli

bir yere varacağını şimdiden söyleyebilmek mümkündür.Nanotüplerin kısa tarihinden

günümüze olan gelişimini bilmek,mühendislik açısından önümüzdeki yıllarda yapılacak

çalışmalara ortak olabilmek ve de bu çalışmaları takip edebilmek,bu sayede kullanım alanları

açısından uygulamaya koyabilmek dünyadaki gelişime katılabilmek açısından oldukça

önem arz etmektedir[1].

KAYNAKLAR

[1]. Akdoğan, A. , Küçükyıldırım, B.O. , "Karbon Nanotüpler, Sentezleme Yöntemleri Ve

Kullanım Alanları",2006.

[2]. Yetim, A.,Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, "Karbon

Nanotüpler ",Adana,2012.

[3]. Tetik , E., Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, "Karbon

Nanotüplerin Fiziksel Özellikleri Üzerine Katkılamanın Etkilerinin İncelenmesi",Adana,2012.

[4]. Erkoç,Ş.,Bilim ve Teknik Dergisi,"Karbon Nanoyapılar",Ocak 2001.

[5]. Yetim, A.,Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, "Karbon

Nanotüpler ",Adana,2012.

[6]. acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/1257/1853.pdf?origin=publication.

[7].Koç,M.B., Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bitirme Tezi,

"Nanotüpler",Ankara,2003.

[8]. http://nanoteknolojinedir.com/upload/files/201303190540Nanoteknoloji-ve-

uygulamalari.pdf.

[9]. ARI1,O., GÖRGÜN1, A.R., KAYA2,A., COŞKUN1,Ö.,KAYA3,İ.,1Süleyman Demirel

Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, Isparta,

2 İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Elektrik-Elektronik

Mühendisliği Bölümü, İzmir,3University of Kentucky, Mechanical Engineering, Lexington ,

USA,"Karbon Nanotüp Malzeme İle Tasarlanan Heliks Antenlerin Performans

Parametrelerinin İncelenmesi",2012.

[10].Özgür,I., Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, " Nanotüp Ve

Nanotel Yapılarının Xrd ile Karakterizasyonu",Ankara,2008.

[11]. Kayır ,Y.Z., Baççıl,E.G., KOSGEB Sincan Đsletme Gelistirme Merkezi,

"Nanoteknoloji Nedir?",Ankara,2010.

[12]. http://nanoteknolojinedir.com/upload/files/201303190540Nanoteknoloji-ve-

uygulamalari.pdf.

[13].Karakan,G., Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (2) 67-73," Yuksek

Performanslı Liflerin Balistik Amaclı Kullanımı",Antalya.

[14]. Oymael,M.,Çiçek,B., Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği

Bölümü," Katodik Depozitlerden Fulleren Ve Nanotüp Üretimi",Ankara.

[15]. Akdoğan, A. , Küçükyıldırım, B.O.,İleri Teknoloji Malzemeleri Dersi İmal Usulleri Programı,"Nanomalzemeler ve Nanokompozitler",İstanbul.

[16] Ayhan1,U.B., Gündüz1,G., Çiçek2,B. ,Göktaş3, H., Dişbudak4, H.,

1 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Müh. Böl.,2Ankara Üniversitesi, Kimya Müh. Böl.,

Tandoğan,3 Ankara Nükleer Araş. ve Eğitim Mer., Beşevler,4 Türkiye Atom Enerjisi

Kurumu, Eskişehir Yolu 9. km, Lodumlu,"Kimyasal Buhar Çökeltme(CVD) ve E-Demet

Yöntemleri ile Karbon Nanotüp Üretilmesi".

[17].Bayındır,M.,Yaman,M.,Yıldırım,A.,Bilim ve Teknik Dergisi,"Koku Bilimine Doğru

Elektronik ve Fotonik Burunlar",Eylül 2011

[18]Kocaefe,Ç., Hacettepe T›p Dergisi 2007; 38:33-38," NANOTIP: yaflam bilimlerinde

nanoteknoloji uygulamaları",Ankara.

[19] Özgen,S.,Savunma ve Havacılık Dergisi Sayı:125,"Şekil Değiştiren Uçaklar Havacılıkta

Yeni Bir Devrim Yaratabilir Mi?",Ankara.

[20] Karatepe,N.,Özyuguran,A.,Yavuz,R.,İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji

Fakültesi,Kimya Mühendisligi Bölümü, Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi

Türkiye 10. Enerji Kongresi," Karbon Yapılı Malzemelerin Hidrojen Depolanmasında

Kullanımı"

[21].http:// www2.omu.edu.tr/docs/dersnotu/1378.pdf.