•10/12/2015

•1

DOĞADA NANO YAPıLAR VE HAREKETLER

�Dünya, insanın tüm yaşamını etkileyecekkadar büyük yeni bir teknolojik devrimineşiğindedir.

�Nanoteknoloji adı verilen veatomlar veya molekülleri tek tek alıphassas şekilde birleştirerek her istenenürünü elde etmek olaraktanımlayabileceğimiz bu teknolojinintemeli, doğadaki atomik dizilimi

taklit etme ilkesine dayanıyor…•1

�Doğa kendisi nano yapıları üretmektedir.

�Doğanın kopyalanmasına çalışılmaktadır.

�Proteinler tarafından yapılan minik porlarmevcuttur (10-20 nm lik porlar).

�Bu porlar bir transistor gibi iyon akımınıkontrol eder.

•2

•Kendilerine hayranlıkla baktıran veaslında pigmente sahip olmayan bazıkelebek kanatlarının ve tavus kuşutüylerinin nasıl olup da bu kadar güzelrenklere sahip olduklarını biliyormusunuz?

•Hatta kimi canlılarda sabit bir renkolmayıp bakma yönünüzü değiştirdikçerenk değiştiren (yanar döner olan) yapılarbile var!

•3

•Bunlara yüksek çözünürlüklü mikroskoplarlabaktığımızda değişik optik özelliklere sahipperiyodik yapılar olduğuna ve tüm bu muhteşemrenklerin fotonik kristaller sayesinde şahit oluruz.

•Işığın kontrolünü sağlayan bu yapılarınlaboratuvarlara taşınması ise farklı birçokuygulama için önemli kapılar aralayacaktır.

•Gelin doğadaki nanofotonik kristallere vebunların insanoğlunun yaşamına olanyansımalarına birlikte göz atalım.

•4

•Fotonik yapılar, ilk Avustralya’da keşfedilmiştir. •5

�Bilim adamları, Avustralya Müzesi’ndeyer alan bazı kelebeklerin zaman içinderenklerinin solduğunu bazılarınınsaaradan geçen süreye rağmen hala canlırenklerini koruduğunu gözlemlemişlerdir.

�Bunun üzerine yapılan araştırmalarda isekelebeklerdeki renklerin kaynağınınyalnızca pigment olmadığı “fotonikyapılar” nedeniyle renklerin canlılığınıkoruduğu tespit edilmiştir.

•6

•10/12/2015

•2

•7

�Bu kelebeklerden biri de Morphorhetenor türü kelebeklerdir.

�Çok uzak mesafeden dahi seçilebilengöz alıcı mavi renkleri, bilimadamlarını bu canlılar üzerindeincelemeler yapmaya yöneltmiştir.

�Bilim adamları bu kelebeği detaylıolarak incelediklerinde mikrokristallerle karşılaşmışlardır. •8

�Bu kelebeklerin kanatlarındaki çokkatmanlı tabakalar ve boşluklar, çokhassas bir düzenle dizilerek fotonikkristal bir yapı oluşturmuştur.

�Bu fotonik kristal yapıysa, ışığın diğerbütün dalga boylarını geçirip maviyiyansıtarak kelebeklerin kanatlarınınparlak mavi renkte görünmesine nedenolmaktadır.

•9

• Nanofotonik; boyutları 1-100 nm arasındadeğişen nanoyapıların ışıkla etkileşiminiinceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir. Buboyutlarda tek bir atomun ya da molekülüntek bir fotonla etkileşimi söz konusudur.

• Nanofotonik kristaller, nanoplazmonikyapılar ve nano-metamalzemeler,nanofotoniğin günümüzde en yoğunbiçimde çalışılan dallarıdır.

•10

•Mavi kelebek kanadından esinlenerek üretilennano kristal fotonik yapı

•11 •12

•10/12/2015

•3

�Kelebek kanadıdoğal fotonikolduğu içinfotovoltaikgüneş pilleriningelişimine ilhamvermektedir.

•13 •14

� Boya ve kozmetikuygulamaları, düz ekrangöstergeler, lazerler, Internetve bilgisayar hızlarınınarttırılması

•15

KERTENKELE AYAĞI

•16

�Kertenkele ayağı, hayvanınduvarlara ve tavanlarayapışmasını sağlayan nanoölçüde tepe ve vadilere sahipbulunuyor.

•17

Kertenkele ayak parmağındaki tüylerin büyütülmüş nano fiber yapısı

Polimer nano tüyler örneğin bir cam yüzeyine oldukça kuvvetli bağlanmaktadır.

Mühendisler kertenkele ayağını taklit ediyor.

Mikro tüyler üzerinde nano tüyler üretilmekte (100-200 nm)

•10/12/2015

•4

�Kertenkelelerin duvarlara vetavanlara tırmanırken yer çekiminekarşı duran milyonlarca miniktüycükten oluşan ayakları, bu canlınıntavanlara yapışmasına imkan sağlar.

�Bilim adamları kertenkelenin buözelliklerini taklit ederek çeşitlialanlarda kullanılabilecek yapışkanlıbantlar üretmişlerdir.

•19

LATIN ÇIÇEĞI YAPRAĞı

� Yüzey yapısından dolayı yaprak suyu itmektedir.

•Süperhidrofobik yüzeyler•20

•21

� Asyadaki çeşitli dinlerde Lotus bitkisi saflığınsembolü olarak kabul edilmektedir.

� Bunun nedeni, lotus bitkilerinde bulunan kendikendini temizleyebilme özelliği olarak ifade edilebilir(Lotus etkisi).

� Yüzeyinde bulunan mikron ve nano seviyesindekiçukur ve tepecikli yapılar sayesinde bitkininyaprakları kesinlikle ıslanmamakta ve sudamlacıkları yaprağın toprağa doğru eğimli şeklisayesinde toprağa doğru kayarken üzerindekiçamuru, küçük böcekleri ve diğer kirlilikleri de be-raberinde taşımaktadır.

•22

•23

�Bu sayede Lotus bitkisi çamurlunehirlerde ve göllerde yetişmesinerağmen yaprakları oldukça temizdir.

�Nanobilimiyle uğraşan bilim adamlarıda, lotus yaprağının bu özelliğini taklitederek boyaların, kumaşların ve diğerpekçok yüzeyin hem kuru kalmasını hemde kendi kendini temizleyebilmeözelliğini kazanabilmesi için yeniyöntemler geliştirmektedirler.

•24

•10/12/2015

•5

Suyu Hiçsevmeyen (Süperhidrofobik)Yüzeyler

�Suyun yüzeye temas açısının büyüklüğüyüzeyin hidrofobik veya hidrofilik olmasınınbir ölçütüdür.

�Bu bağlamda, temas açısı arttıkça yüzeyinsuyu sevmeme özelliğide artmakta vesüperhidrofobik bir yüzey olma yönünde yolalınmaktadır.

�Temas açısını etkileyen iki önemli faktördenbir tanesi yüzey pürüzlülüğü diğeri ise yüzeygerilimidir.

•25•Süperhidrofobik yüzeylere damlatılan su damlası

•26

KÖPEKBALıĞı DERISI

Köpekbalığı neden hızlı yüzer?

•27

�Köpek balıkları üzerinde taramalı elektronmikroskobuyla yapılan incelemelerde, balığınderisinin şeritler içerdiği görülmüştür.

�Şeritler, dikey su girdapları veya su spirallerioluşturarak suyu balığın vücuduna daha çokyapıştırır ve suyun yüzmeye karşı direnciniazaltır.

�Şeritlerin bu etkisi "Ribblet etkisi" olarakbilinir ve bu konu ile ilgili NASA'nın LangleyAraştırma Merkezi'nde Ribblet deriaraştırmaları yapılmaktadır. •28

� Son on yıldır da bu etki mayolarüzerinde uygulanmaktadır.

� Yeni lifler ve yeni dokumateknikleri ile yapılan mayolar,yüzücünün vücudunu sararaksuya en az direnç gösterecekşekilde üretilmektedir.

� Nitekim yapılan araştırmalar bumayoların diğer mayo tiplerineoranla sürtünme direncini %8azalttığını göstermiştir

•29

NANOMALZEME VE TEKNOLOJİLERİ HANGİ ALANDA KULLANILIR?

OptoelektronikYarı

İletkenler Enerji

depolama

Elektronik Yeni Malz.Geliştirme

•30

•10/12/2015

•6

– BİLİŞİM TEKNOLOJİLERİ

– MALZEME BİLİMİ

– ENERJİ

– BİYOTEKNOLOJİ /GENETİK

– ÇEVRE BİLİMLERİ

21. YY. DA TEMEL ARAŞTIRMA KONULARI

•31

NANO ÜRETIM NEDIR?

•Biyosensör

•Hafıza cihazı

• Şablonlar•Yüksek hız

•Yüksek hacim •Güvenirlilik•2004

•2006 •2007

•Milyarlarca atom ve nano partikülün manüplasyonu

•2005

•Kitleler ve çalışanların bilgili olması

• Çevresel olarak dost prosesler

•Gelecek:

•32

NANO ÜRETIM IÇIN KRITIK BARIYERLER

�Bariyer 1. Fiziksel olarakmüdahale edemeden farklınano elementler nasıldüzenlenir?

�Bariyer 2. Sürekli ve hızlıhızlı olarak (ekonomik olarakkabul gören) nano ölçülüyapılar nasıl üretilir?

•33

�Bariyer 3. Güvenirliliği nasıl testederiz? Hataları nasıl etkin olaraktespit eder ve yok ederiz?

�Barrier 4. Nano ürün ve işlemlersosyolojik olarak kabul edilebiliryeni ekonomik, çevresel ve etikdüzenlemelerin ve değerlerin ortayaçıkmasına ihtiyaç gösterir mi?

•34

NANO TEKNOLOJİYE GEÇİŞ İÇİN

YÖNTEMLER DEĞİŞMELİ► KULLANILAN YÖNTEMLERBÜYÜK BOYUTTAN BAŞLANGIÇ ERİTME, ÖĞÜTME

GİBİ YÖNTEMLERLE SON ÜRÜNE YADA PARÇALARINAULAŞMA► NANO YÖNTEMATOM VE MOLEKÜLLERDEN BAŞLANGIÇ NANOBOYUTTAN MAKRO BOYUTTAKİ ÜRÜNLERE ULAŞMA► KÖPRÜ YÖNTEMLERNANO VE MİKRO TEKNOLOJİLERİ EKLİYEREK YENİPROSESLER VE MALZEMELER, GELİŞTİRİP, ÜRETMEK

•35

• Daha güvenilir ve hafif malzemeler

• Daha az yakıt yakan ve, çevreyi kirletmeyen toplu

taşım araçları

• Daha verimli güneş pilleri

• Daha hızlı bilgisayarlar

• Daha çok bilginin depolanması

• Uzun ömürlü bateriler

• Daha sağlıklı yaşam

• Daha hassas algılayıcılar

• Daha duyarlı filtreler

•Nanoteknolojinin İnsan Hayatına Etkileri

•10/12/2015

•7

• Daha sağlam kumaşlar

• Mikrop tutmayan kaplamalar

• Yüksek kapasite ve yüksek veri hızı

• Hastalıkların doğru tedavisi

• Daha güçlü savunma sanayisi...

• Yenilenebilir temiz enerji kaynakları:

• Hidrojen Enerjisi

• Güneş Enerjisi

Mily

ar $

NANOTEKNOLOJI NIÇIN ÖNEMLIDIR?

•Nanoteknoloji ile Yapılabilecekler

•10/12/2015

•8

Prof. Dr. Hatem AKBULUT 12 Ekim 2015 Pazartesi 44

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİMETALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ

•44

�Nanofotonik yöntemlerle üretilen 10 nmboyutlarında nanoelektronik devreler,gelecek kuşak bilgisayarların yapımındakullanılacaktır.

•45

�Bilginin optik olarak nanofotonikkristaller aracılığıyla taşınmasısağlanarak, bilgisayarların yüzlercekat daha hızlı çalışmasısağlanabilecektir. Aynı şekildeinternet hızının da yüzlerce katartması bu sayedegerçekleştirilecektir.

• Günümüzde bir DVD’ninbilgi saklama kapasitesinibelirleyen, yazılan ışığındalga boyudur.Nanoplazmonik yapılardabu dalga boyunun 30 katküçüldüğü düşünülürse, buyapıların DVD yazma veokumasında kullanılması,DVD’lerin kapasitesini 1000kat arttırabilecektir.

•10/12/2015

•9

- Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı boyalar ve yüzeyler

1-Endüstriyel Alan: Otomotiv parçaları (mikrosensör, makine ve pompa kullanan otomobiller),nano boyutlu kaplamalar, chip ve CD üretimi.

2-Tıp ve Sağlık Alanı: Mikro-nano cerrahi ( özelliklegöz ve beyin cerrahisi), Hücre, doku vemoleküllerdeki hasarların belirlenmesi, Ultraviyolekorumalı kozmetik ürünler yapılıyor.

3-Bilimsel Araştırmalar: Yüzey karekterizasyonu vemodifikasyonu, Mikroorganizmaların taşınması,DNA-Modifikasyonu.

Nano-teknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları

•51

4-Malzeme Bilimi;

• Çok daha güçlü, hafif, kimyasal işlemlere ve sıcaklığadayanıklı malzemelerin üretiminde kullanılıyor.

• Örneğin karbon nanotüplerden üretilmiş kumaşlargeliştirilmiştir.– Bunlar kurşun geçirmediği için askeriyede kullanılıyor.– Bu yolla üretilen ve nanotext denilen kumaşlar da leke ve bakteri

tutmuyor ve çok sağlam oluyor.– Radyasyon veya ışığa karşı kontrol edilebilir tepkiler veren

malzemeler de geliştirildi.

– Nanoteknolojik ışıklandırma sistemleri ile dünya enerjiihtiyacının yüzde 10 oranında azalması bekleniyor.

5-Enerji; Nanoteknolojiyle üretilen yakıt hücreleri, gelişmişpiller, güneş hücreleri

•52

UYGULAMALAR

• Otomobil panellerinin rijitliği ve daha iyi boya yapışması % 5 kil ilavesi ile sağlanmıştır

•air

•clay

•platelets

•polymer

• Tenis topu, lastik ve diğer ambalaj malzemelerinin dayanımı arttırılmıştır.

• Plastiklerin aleve dayanımı artmıştır

•53 •54

•10/12/2015

•10

NANOTEKNOLOJI: GERÇEK VEYA BILIM KURGU

•Kendini temizleyen cam

• Bünye ve damar içindeNanorobotlar

•Daha az kirletici yakıtlar

•Gerçek

•Gerçek

•Bilim kurgu

•Güvenli güneş kremleri •Gerçek

•56

FLASH BELLEKLER

Kuantum noktalar

•57

KUANTUM NOKTALARı (DOT)

�Bunlar nano boyutta, bir kaç yüzatomla bir kaç binatom büyüklüğünde(10 nm den az) yarı iletken kristal

parçacıklardır.

�1970’lerde teorik olarak geliştirildiler ve1980’lerin başında yapıldılar.

�Küçüklüklerinden dolayı kuantumtesirleri rol oynamaktadır.

•58

�Yapay atom olarak da tarif edilenkuantum noktaları ışığı farklı dalgaboylarında emer veya yansıtırlar vedolayısıyla farklı renklerdegörülürler.

�Kuantum noktaları genelde yarıiletkenlerden üretilirler.

•59

•Kuantum noktalarında boyut ve renk değişimi•60

•10/12/2015

•11

•61

• Akıllı dizlik,

•Dizin yanlış fizikselişlevlerini raporlar.

•İçinde özel nanosensörlerlerbarındırmaktadır.

•62

•63 •64

MOORE KANUNU1965 de Gordon Moore her bir entegre devrede transistor sayısının zamanla eksponansiyel olarak arttığını gözlemiştir.

Gordon Mooreco-founder of Intel

•65 •66

•10/12/2015

•12

•67

Dünya’ da Nano Teknolojiye Yatırım (Hükümetler) 1997-2004

•68

•Türkiye’de nanoteknoloji araştırmalarının çoğu kuramsal ve bireysel düzeydedir.

•Avrupa Birliğinin 6. Çerçeve Programı sayesinde nanoteknoloji araştırmaları yeniden yapılanma ve ivme kazanmış bulunmaktadır.

•TÜBİTAK tarafından hazırlanan Vizyon2023 Programı’na öncelikli alanlardan biri olarak alınmış bulunmaktadır.

•Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Projesi nanoteknolojiyi geliştirmek ve uzman yetiştirmek amacıyla hazırlanmıştır.

•TÜRKİYE’DE NANOTEKNOLOJİ

•69

NANO MALZEMELERİN KARARLILIĞINano Nano Nano Nano KristalNano PartiNano PartiNano PartiNano Partikül

BüyümeÇekirdekleşmeAtom Atom Atom Atom Birleşmesi

Atom Sayıları

13 55 147 309 561 1415

OranXX 92 76 63 52 45 35

Merkez

Sayısı

Tek Merkez

Çift

Merkez

Üç

Merkez

Dört

Merkez

Beş

Merkez

Yedi Merkez

Yüzey Atomları ve Kararlılık

1 Merkez = 12 atom 1 atomu çevrelemiştir.xx: Yüzey atomları/toplam atom sayısı

� Termal ve kimyasal kararlılık� Nano Malzemelerin deformasyon ve radyasyon altındaki

davranışları� Tane büyümesi, faz geçişleri, ayrışmalar� Homojenizasyon� Difüzyon prosesleri� Kalıntı gerilmelerin gevşemesi� Tane sınırı ve üçlü kavşak segregasyonları

Nano Malzemelerin hemen hemen tümü (süpermoleküler yapılar dışında) denge durumundan

uzaktırlar

Nano Malzemelerin Kararsızlık Şartları

•10/12/2015

•13

� Kararsızlığa yol Açan Nedenler;� Arayüzey ve üçlü kavşakların çokluğu� Alaşım elementleri ve ilavelerin düzensiz dağılımı� Denge dışı fazların oluşumu� Aşırı doymuş çözeltiler� Kalıntı gerilmeler� Normal üstü latis hataları� Tane sınırı ve üçlü kavşak segregasyonu

� Tüm bu faktörler Gibbs serbest enerjisini arttırır.

� Nano malzeme hazırlarken tüm bu faktörler kararsızlığı etkiler(Toz metalurji teknikleri, sıvıdan kontrollü kristalizasyon, şiddetliplastik deformasyon çok ince film kaplama)

Şekil 0.5 ve 1.0 nm tane sınırı kalınlığına sahip bir malzemede tane boyutu-tane sınırındaki atomların oranı ilişkisi

Şekil. Au için ergime noktası partikül boyutu ilişkisi

Çok ince taneler veya çok fazla tane sınırı malzemeyi kararsız yapar. Daha kolay reaksiyon gerçekleşir

•• Enerji dengesi kavramından hareketle; Birim kütle başına iç enerji ve entropideki değişim sıcaklıktan bağımsızdır.

∆θ = 2Toσ /ρLr

•∆θ = Ergime noktasının geleneksel malzemelerden sapması•To = Bilinen (bulk yapı) geleneksel ergime noktası•σ = Sıvı-katı arayüzey için yüzey gerilim katsayısı•ρ = Partikül yoğunluğu•r = Partikül yarıçapı•L = Gizli ısı

Partiküllerin nano boyuta mekanik olarak indirgenmesinde, yüksek basınç neticesinde latis distirsiyonu olur (ana kafese zorlama ile atom sokulur ve latis genişler)

Şekil. HMK, YMK ve HSP metallerde tane boyutuna bağlı olarak latiste oluşan deformasyon.

Nano taneli bir metalin tane yapısı

Tane boyutunun çok ince olması yüzey alanını arttırır ve çok düşük sıcaklıkta bile sinterleşme gerçekleştirilebilir.

•Video-1 Tanelerin sinterlenmesi-atomsal

•10/12/2015

•14

Şekil. H2SO4 de kısa süre dağlanan 100 µm tane boyutuna sahip Ni de tane sınırları

Çok ince tane boyutu kolay reaksiyona yol açar. Örnek: korozyon veya dağlama Nano Malzemelerde; Tane sınırlarının Nano Malzemelerde; Tane sınırlarının Nano Malzemelerde; Tane sınırlarının Nano Malzemelerde; Tane sınırlarının hareketliliğini önlemek için:hareketliliğini önlemek için:hareketliliğini önlemek için:hareketliliğini önlemek için:���� Tane sınırlarını kitleyici element ilavesiTane sınırlarını kitleyici element ilavesiTane sınırlarını kitleyici element ilavesiTane sınırlarını kitleyici element ilavesi���� Tercihli Büyüme (yönlü büyüme)Tercihli Büyüme (yönlü büyüme)Tercihli Büyüme (yönlü büyüme)Tercihli Büyüme (yönlü büyüme)-süpermoleküler yapı

���� Latisi zorlamayan nano tane oluşturma (katalizör ile)Latisi zorlamayan nano tane oluşturma (katalizör ile)Latisi zorlamayan nano tane oluşturma (katalizör ile)Latisi zorlamayan nano tane oluşturma (katalizör ile)���� Birbirinden farklı kristal sistemlerini kullanmaBirbirinden farklı kristal sistemlerini kullanmaBirbirinden farklı kristal sistemlerini kullanmaBirbirinden farklı kristal sistemlerini kullanma

Şekil. 773 K de Zr-Al alaşımında Fe miktarı kristal boyutu ilişkisi.•82

• İngiliz Savunma Bakanlığı, geçen hafta yapılandenemelerde, test edilmekte olan gizli teknolojiyle biraracın tamamen görünmez hale getirildiğini belirtti.

•Görünmezlik teknolojisi, yansıtma özelliklerininazamiye çıkarılması için silikonla kaplanan bir tanka,etrafındaki manzaradan alınan görüntülerinyayınlanması için özel adapte edilmiş kamera veprojektörlerle sağlanıyor.

•Sonuç olarak çıplak gözle sadece tankın arkasındakigörüntü görülebiliyor.

•83

•31 Temmuz 2009

•Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi,fantastik filmlerin vazgeçilmez nesnelerinden görünmezpelerini hayata geçirdi. Beyaz perdenin unutulmazkahramanları Frodo ve Harry Potter'ın defalarca hayatınıkurtaran pelerinin gerçeği nanoteknolojik kumaştan yapıldı.

•84

•10/12/2015

•15

•Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi(NANOTAM) araştırmacıları, cisimleri bellifrekanslarda görünmez kılan nanoteknoloji tabanlımalzeme geliştirdi.

•Türkiye'nin tek Descartes bilim ödülü sahibi olanBilkent Üniversitesi NANOTAM Başkanı Prof. Dr.Ekmel Özbay'ın başkanlığını yürüttüğü projede doktoraöğrencisi Atilla Özgür Çakmak tarafından geliştirilen“görünmezlik pelerini” teknolojisi, askeri araçlarınüzerine kaplanacak bir nanoteknoloji tabanlı malzemesayesinde istenilen frekans bandında, tankların hattahavadaki uçakların görünmezliğine olanak sağlıyor.

•85

•Nanoteknoloji Tabanlı Kaplama ve Görünmezlik•Mayıs 29, 2011

•İsrail tabanlı haber sitesiYnetNews, İsraik menşei yleNanoteknoloji firması olanNanoflight firmasının savaşuçaklarını Radarların tespitetmesini önlemek için nanokaplama teknolojisinigeliştirdiğini açıkladı..

•Nanoflight firması öncelikle bu teknolojiyi deneyfüzelerini kaplayarak gerçekleştirdi ve bu füzelerradar tarafından algılanamadı.

•86

NANO MALZEME ÜRETİM YÖNTEMLERİ

•87

� Boyutu 100 nanometrenin (nm) altında olannanopartiküller, hacimsel yapılı malzemelerden çok dahafarklı ve üstün olarak kabul edilen özelliklersergilemektedirler.

� Nanoyapılı partiküllerin gösterdikleri üstün özelliklersayesinde elektrik, elektronik, biyomedikal, otomotiv vekimya sektörleri başta olmak üzere birçok endüstriyelalanda kullanıma sahiptirler.

� Nanopartiküllerin fizikokimyasal ve morfolojik özelliklerikullanılan başlangıç malzemesinin karakteristiğindenetkilenmesinden dolayı farklı üretim yöntemleriningeliştirildiği görülmektedir.

•88

�Boyutları 100 nm ve altında kalan tozlarolarak tanımlanan nanopartiküller,nanoboyutlu malzemelerin dolayısıylananoteknolojinin temelini oluşturmaktadır.

�Bu partiküller diğer ticari malzemelerdengenelde farklı ve üstün kabul edilen özelliklergöstermektedir.

�Nanoyapılı malzemelerin ve cihazlarıntasarlanmasını, üretimini ve işlevsel olarakkullanımını kapsayan nanoteknoloji alanındakiyeni gelişmeler icin vazgeçilemez ilk adımnanopartikullerin üretimidir.

•89

�Nanoteknolojik malzemelerin çıkışnoktasını oluşturan nanopartikullergeniş bir kimyasal aralık ve morfolojideüretilebilirler.

�Günümüzde çekirdek-kabuk, katkılı,sandviç, boşluklu, küresel, çubuk benzerive çok yüzlü gibi farklı morfolojileresahip metal, metal alaşımı, seramik vepolimer esaslı veya bunlarınkarışımından istenilen özelliklere sahipnanopartikuller hazırlanabilir.

•90

•10/12/2015

•16

İKI TEMEL ÜRETIM FELSEFESI

•Yukarı => Aşağı

• Yekpare madde

•Mikro-/nano yapılar

•Fonksiyonel Sistemeler:•Yukarıdan aşağıya ve

aşağıdan yukarıya yöntemlerin karışımı

•Aşağı => Yukarı•Atomlar/moleküller

Atomik yapılar

•91

Yukarıdan Aşağıya Aşağıdan Yukarıya

•Hassas mühendislik•Mikroelektronik/MEMS•Litografi•Depozisyon•Dağlama•İşleme

•Kimyasal sentezler•Molekül düzenleme•SPM manüplasyonu•Kendiliğinden örgütlenme•Kendiliğinden kurulum

•92

�1-Bottom-up: Aşağıdan yukarıya yaklaşımı

(küçükten büyüğe), moleküler nanoteknolojiyibelirtir ve organik veya inorganik yapıları,maddenin en temel birimi olan atomlardanbaşlayarak atom atom, molekül molekül inşa

edilmesi yöntemini ifade eder.

�Aşağıdan yukarıya yaklaşımına dahil yöntemlerise; atomik veya moleküler boyuttakiyapıları kimyasal reaksiyonlar ilebüyüterek partikül oluşumunungerçekleştirilmesi olarak tanımlanmaktadır.•93

�Nanokristalin metal ve alaşımlarınınüretiminde kullanılan ilk yöntem olangaz yoğunlaştırma tekniği aşağıdanyukarıya yaklaşımıyla çalışmaktadır.

�Kimyasal buhar kaplama, kimyasalbuhar yoğunlaştırma, sol jel ve spreypiroliz yöntemleri de bu yaklaşımın ençok bilinen diğer üyeleridir.

•94

2-Top-down: Yukarıdan aşağıya

yaklaşımı (büyükten küçüğe),

makineler ve benzeri mekanik ve

kimyasal yöntemler kullanılarak

nano yapıların fabrikasyonu ve imal

edilmesi yöntemlerini ifade eder.

•95

� Partikül üretiminde kullanılan yöntemlerin yukarıdaaçıklanan ayrım dışında fiziksel veya kimyasal

temelli olarak da iki ayrı sınıflandırılmasımümkündür.

�Mekanik enerjinin kullanıldığı fiziksel özelliklerin ön

plana çıktığı yöntemler fiziksel ve kimyasalreaksiyonların gerçekleştiği yöntemler isekimyasal temelli olarak kabul edilmektedir.

� Teknolojinin bu günkü seviyesi sebebi ileyapılan çalışmaların bir çoğu yukarıdan

aşağıya (top-down) klasmanındadeğerlendirilir.

•96

•10/12/2015

•17

•Nano partikül üretiminde kullanılan yaklaşımlar•97

Buhar Yöntemleri

Mekanik Aşındırma-

Mekanik Alaşımlama

Yaş Kimyasal Yöntemler

NANO KRİSTAL VE PARTİKÜLLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ

•98

� Tanım: “Bir boyutu 100 nm altında olan partiküller nanodur".

• Nanopartiküller çok farklı şekil ve boyutta olabilir

Nanopartiküller:•Nanokürecikler,• Nano çubuklar• Nano plakalarolarak da anılır

•99

A) YAŞ KİMYASAL YÖNTEMLER

•100

A-1) Sol-Jel Prosesi

�Bu proses çözelti formundan yola çıkılarak seramik ve metal oksit tozlarının elde edilmesinde yıllardır kullanılmaktadır.

� Sol-jel yöntemiyle aynızamanda kaplama ve fiber üretimi de yapılabilmektedir. Şekil. SolŞekil. SolŞekil. SolŞekil. Sol----Jel akım şemasıJel akım şemasıJel akım şemasıJel akım şeması •101

�Metal alkoksit çözeltileri veya metal tuzları,nitratlar, hidroksitler ve oksitler gibi inorganikbileşiklerin belirli oranlarda su ve asitlebirleştirilerek bir solüsyonmeydana getirilmesi

ve

� bu solüsyonun belirli sıcaklıklarda karıştırılmasıneticesinde solüsyon içerisinde birbirini izleyenbir dizi kimyasal reaksiyon ve taneciklerin sahipolduğu yüzey yüklerinin elektro kimyasaletkileşimleri ile bir ağ meydana gelmesi(jelleşme) ve bu ağın gitgide büyüyüp sistemiçerisindeki bütün noktalara ulaşarak komple biryapı (jel) meydana getirmesidir.

•102

•10/12/2015

•18

� Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlıbir süspansiyonudur.

� Jel ; Kolloidal parçacıkların çöktürülmesiyle eldeedilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel,katı ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.

•103

Sol-Jel Tekniği

Avantajları

• Yöntemin kimyasal yönü kontrol edilebilir.

• Hammaddelere kıyasla daha iyi homojenlik sağlanır.

• Toz boyutu mikron altında (NANO) elde edilir.

• Üretim için düşük sıcaklıklar yeterlidir. Buda;

– Enerji tasarrufu sağlar

– Uçma kayıplarını en aza indirir.

– Bulunduğu kapla reaksiyonu önler

• Yeni malzemeler ve özellikler elde etmek mümkündür.

• İnce film gibi özel ürünler yapılabilir.

• Hava kirliliğine neden olmaz.

•104

Dezavantajları

• Bu yöntemle üretilen tozların maliyetleri yüksektir.

• Proses esnasında büzülme miktarı yüksektir.

• İnce gözenekler yapıda yer alabilir.

• Yapıda kalıntı hidroksit yer alabilir.

• Yapıda kalıntı karbon kalabilir.

• Organik çözeltiler sağlığa zararlıdır.

• İşlem süresi uzundur.

•105 •106

•107

Şekil. Farklı kimyasallar kullanılarak sol-jel ile üretilen SiO2 partikülleri.

•108

•10/12/2015

•19

Şekil. Sol jel yöntemi ile çözelti yapısı ve nano malzeme türü ilişkisiSol-Jel Türleri

•109

�Sol Jel prosesi ile üretilen toz ve kompozitler:

� Oksitli nanokompozitler, Fe2O3–SiO2, NiO–SiO2, 3Al2O3–2SiO2

� Elementel metal içeren nano-Ni/SiO2, Fe–Al2O3

���� SnO2, Ti2O5, PbTiO3, (Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3

Sol Jel Yöntemin Teknik Özellikleri

•110

Sol-Jel’in Kullanım Alanları

Seramik toz üretimi:

• Değişik amaçlarla çok çeşitli toz üretilmektedir.

• Miktarı çok az olan ikinci bir tozun ana tozun içinde homojen olarak dağıtılması Sol-Jel yöntemi ile mümkün olmaktadır.

• Düşük sıcaklıklarda sinterlenebilen BaTiO3, ZnO, PZT, PbTiO3 vb elektro seramik tozları,

• Kontrol edilebilir şekil ve boyutlarda tozlar (SiO2, TiO2, ZrO2),

• Nükleer yakıt malzemeleri (UO2-ZrO2-ThO2, UO2-ThO2),

• Sentetik fazlar (ThSiO4, CaLa4(SiO4)3, NaBSi3O6)

• Aşındırıcılar (Al2O3 ve katkılı Al2O3) üretilebilirler.

•111

Kaplamalar:

• Sol-jel yönteminin uygulama alanı bulduğu ve en büyük potansiyele sahip olduğu uygulama alanıdır.

• Kaplama uygulamalarında solüsyonun kontrol edilmesi ile hem kompozisyon, hem de kaplama kalınlığının kontrolü kolayca yapılabilmektedir.

• Kaplamalar çok değişik amaçlı olabilmektedir;

– mekanik (SiO2),

– optik (TiO2-SiO2, InO2-SiO2),

– kimyasal (SiO2),

– elektriksel (BaTiO3, PLZT)

– katalitik (Al2O3, SiO2).

•112

Fiberler:

• Bunların üretiminde bazı durumlarda tek üretim yöntemi Sol-Jel’dir.

• SiO2, SiO2-ZrO2, ZrO2, Al2O3, Al2O3-B2O3-SiO2 ve ayrıca optik fiberlerin üretiminde de sol-jel yöntemi kullanılır.

•113 •114

•10/12/2015

•20

•Çöktürme tekniği bilinen inorganik tuzlarınçöktürme işlemidir.

•Çözeltiye çökmeyi sağlayacak bir maddekatkısı veya sıcaklık yada basınçdeğiştirilerek çözünürlüğün azaltılmasıişlemleri uygulanır.

•Çökelme çekirdeklenme ve büyüme sonucuoluşur.

•115

•Karıştırma hızı ve sıcaklık, tanebüyüklüğünü etkileyen önemlifaktörlerden olduğundan iyikontrol edilmeleri gerekir.

•Bu teknikle yüksek saflıkta veçok küçük tane boyutuna sahiptoz elde etmek mümkündür.

•116

A-2.1) Bileşik (Precursor) Yöntemi

Üretim iki adımdan meydana gelir:

1. Aşırı doymuş bir sıvı çözelti oluşturulur.

2. Çözeltiden nano partiküller çekirdeklenir.

� Basit, ucuz ve kimyasal maddelerin kolaybulunabilmesi avantajları var.

• Genelde organik olmayan tuz bileşiklerikullanılır.

•117

�Bir metal klorürün yüksek sıcaklıkta su buharı iletepkimesi sonucu metal oksit oluşur.

�Örnek: TiCl4 ün hidrolizinden TiO2 eldeedilmesi.

TiCl4 + 2H2O →→→→ TiO2 + 4HCl

TiO2 elde etmek için çözeltiye çekirdekleştirici ilaveedilir.

(Çekirdekleştirici ile yaş kimyasal toz üretimi)

•118

•Bu yöntem ile mikron altıtaneler (ör. TiO2 v.b.) eldeedilebilir.

•Fakat tozların üretimi vetoplanması için pahalı vekarmaşık toz toplama sistemlerigereklidir.

•119 •120

•10/12/2015

•21

Yaş kimyasal teknik ile Metal Karbürler deüretilebilir.Yaş kimyasal teknikte ultrasonik titreşimve termal ayrışma ile de nano tozlarüretilir.Ultrasonik dalgalar yardımıyla Argon ileaşırı doymuş hale getirilen NaAuCl-PdCl2çözeltisinden soy alaşımlardan AuPd(kaplamada çok kullanılır) elde edilir.•121

•122

Şekil. Polyol metodu ile hazırlanan bazı metallerde üretimsıcaklığı ve partikül boyutu ilişkisi. •123

A-2.3 Hidrojen Redüksiyonu Yöntemi

•Gaz fazında redüksiyon ile metaliknanopartiküllerin üretimini gerçeklestiren biryöntem olup, yapılan çalışmalarincelendiğinde özellikle demir grubu metal(Fe, Ni ve Co) nano partiküllerininlaboratuvar ölçekli sentezlenmesindekullanıldığı görülmektedir.

•124

•Şekil’den de görüldüğü gibi yöntem; partiküloluşumu, partikül toplanması ve gaz yıkamaadımlarından oluşmaktadır.

•Şekil. Hidrojen redüksiyon yöntemi

•125

•Yöntemin ilk aşamasında kullanılan başlangıç çözeltisibuharlaştırılarak taşıyıcı ve/veya redükleyici bir gazla önısıtılmış bölgeye ve daha sonra redüksiyonun gerçekleşeceğidaha sıcak bölgeye tasınarak partikül oluşumugerçekleştirilmektedir.

•İşlem sırasında hidrojen gazı tek basına hem redükleyici hemde taşıyıcı olarak kullanılabileceği gibi bununla birlikte azotve argon gibi inert gazlarda taşıyıcı olarak kullanılabilirler.

•126

•10/12/2015

•22

� Reaktanların konsantrasyonu, reaksiyon

sıcaklığı, ön ısıtılmış bölgenin sıcaklığı ve

buhar/partikülün fırın içerisinde kalış

süresi partikül boyutu, boyut dağılımı ve

kristalinetisini kontrol eden başlıca

faktörlerdir.

•127

Katı durumda yer değiştirmenin mekanik olarak aktif hale gelmesi (Örnek: bilyeli değirmen ile) ile yapılır

� Oksit ve klorür içeren kimyasal maddeler öğütme sırasında sisteme ilave edilir

�Isıl işlem yapılır (Karşılıklı yer değiştirme ile genelde nano partiküllükompozit oluşur).

AxC ve B = kimyasal maddeler (precursors),A = İstenen ürün, ByC = Reaksiyon ürünü (atık)

A-3) Mekano Kimyasal Yöntem

•128

Bu yöntemle: Oksit seramik tozları:

� (Örnek: Al2O3, ZrO2, ZnO, PBT (PbO, ZrO2 ve TiO2 karışımı)Oksit yarı iletken tozları:

� (Örnek: SnO2)

10-20 nm boyutta Saf Ni nano partikülleri:

Na ilavesi ile; NiCl2 nin öğütülmesi ile oluşur. Takiben saf su ile yıkama

Metanol ile temizleme ve vakumda kurutma

Reaksiyon aşağıdaki şekildedir.

•129

� Benzer şekilde, vibratör değirmende Aratmosferinde ZrO2 elde edilir

•130

•131