Teknoloji, geçmişten bugüne hem bir sanatçı zarafeti hem de mühendislik kabiliyetlerinin kombinasyonu olarak kullanılmıştır. Örneğin tüm zarafetiyle kraliçelerin boynunu süsleyen işlemeli kolyeler ve kraliyet taçları gibi. Şunu ifade etmek gerekir ki, dünyadaki teknoloji gelişiminde savaşların ve savaşlar için geliştirilen silahların payı büyüktür. Hafif ve keskin kılıçlar, zırhlar ve dökülen büyük toplar hem milletlerin hem de teknolojinin kaderini değiştirmiştir. Nüfus arttıkça artan ihtiyaçlar, su gücüyle çalışan değirmenlerden un fabrikalarına, tek katlı taş evlerden gökdelenlere, çıkrıklardan tekstil fabrikalarına, at arabasından otomobillere, kayıklardan transatlantiklere, taş köprülerden kıtaları birbirine bağlayan asma köprülere geçişi sağlayan teknolojiyi daha da geliştirmiştir. Çünkü sadece bu yapılar değil, bu yapıları ortaya çıkarabilmek için gerekli makine ve gereçler de geliştirilmiştir. Farklı malzemelerin bir araya getirilmesiyle yeni ve özellikleri kendini oluşturan malzemelerden tamamen farklı kompozit malzemeler üretilmiştir. Mevcut malzemelerin yeni üretim ve ısıl tekniklerle özellikleri iyileştirilmiştir. Malzemelere makro, mikro ve nano düzeyde işlemler yapılmıştır. Bunların beraberinde tüm bu gelişmelerin sonucunda telgraf etkili bir iletişim aracıyken, telefon ve cep telefonları iletişimde çığır açmıştır. Radyodan televizyona, bilgisayardan tabletlere, hava-kara-deniz-raylı sistem araçlarından gezegenler arası seyahat eden uzay araçlarına geçiş, daha da hızlı bir teknoloji rekabetini beraberinde getirmiştir.
İnsanoğlu ilk önceleri taş, seramik ve ahşap gibi doğal malzemelerle ihtiyaçlarını karşılayıp, yapılarını oluştururken; cevherden bir çağa adını veren bronz üretimini keşfetmesiyle birlikte kendisine yeni ve hızlı bir yol çizmeye başlamıştır. Çeliğin ve işlevselliğinin keşfi ise sanayi devriminin temelini oluşturmuştur. Günümüzde kullanılan alüminyum ve titanyum gibi hafif metallerle tanışılması ise diğerlerinin yanında çok yeni olup, henüz iki yüzyıllık bir süreçtir. Bu metalleri insanoğluyla tanışması bakımından polimerler takip etmiştir.
Kompozitler ise çok eski zamanlardan bu yana yapı elemanı olarak kullanılmalarına rağmen, teknolojik bir malzeme olarak son 50-60 yıldır gözde bir malzeme grubunu oluşturmuşlardır. Farklı üretim yöntemleriyle aynı malzeme için farklı özellikler elde edilebildiği gibi, üretimden sonra uygulanan ısıl işlemler ile de malzemelerin özellikleri değiştirebilmektedir. Özellikler makro anlamda renk ve parlaklık olarak nitelendirilirken, mikro anlamda tüm mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerini etkileyen taneleri, nano anlamda ise atomsal boyutları ifade etmektedir.
Fizik, kimya ve biyoloji temel bilimleri ile mühendislik teknolojilerinin ortak çalışmaları sonucunda organik ve inorganik maddelerin özellikleri daha kapsamlı analiz edilmeye, daha iyi anlaşılmaya ve daha hızlı bir şekilde geliştirilmeye başlanmıştır. Üretim ve analiz teknolojilerinin gelişmesi, medikal uygulamalardan mobilya sektörüne kadar çok büyük ilerlemelere yol açmıştır. Fakat tüm bu malzeme türlerinin yapamadıklarını nanomalzemeler yapabilmektedir.
Nano yapılar, atomsal ve nano boyuttaki sistemleri ifade etmektedir ve mekanik, fiziksel, kimyasal ve termal süreçlerin biri veya birden fazlası bir arada kullanılarak elde edilebilmektedirler. Örneğin damla boyutu 0,1-1,0 µm olan, birbiri içerisinde tamamen dağılabilen, termodinamik açıdan kararsız ve zamanla yerçekimi etkisiyle birbirinden ayrılan iki sıvı emülsiyonu oluştururken; damla büyüklüğü 100 nm’nin altında olan, özellikleri zamandan bağımsız, karıştırma gibi işlemlerden etkilenmeyen, termodinamik olarak kararlı ve şeffaf görünümlü mikro emülsiyonlar su-yağ birleşmesini sağlayabilmektedir. Bu yöntem nanoparçacık sentezi yanında, boya, tekstil kaplamalarında, kozmetik ve eczacılık alanlarında kullanılmaktadır. Birbirinden çok farklı üretim yöntemleriyle elde edilen nano yapılar ilaç salımı, kendi kendini temizleyen kumaş, esnek ve dayanımı yüksek malzemeler ve nano boyutta makine imalatı gibi çok farklı alanlarda kullanılmaktadır.
Nanoteknoloji ile geliştirilen ürünler klasik ürünlere nispeten daha sağlam, daha uzun ömürlü ve daha hafif olmaktadır. Artırılmış yüzey alanı ve kuantum etkileri, nanoparçacık takviyeli malzemeleri diğer malzemelerden ayıran en önemli iki özelliktir. 30 nm boyutundaki parçacık için yüzeyindeki atom oranı % 5 iken, 10 nm için bu oran % 20’ye çıkmaktadır. Bu nedenle nanoparçacıklar, büyük parçacıklara göre daha yüksek yüzey/hacim oranına sahiptirler. Bu durum nanoparçacıkların, büyük parçalara nazaran reaktiflik, direnç, sertlik ve elektriksel özellik bakımından daha duyarlı olmasını sağlamaktadır. Ayrıca nano ölçekte maddelerin boyutları azaldıkça kuantum etkileri, maddenin optik, elektrik ve manyetik özelliklerini etkileyerek değiştirebilmektedir.
Nanoparçacıkların bu özelliklerinin ortaya çıkarılmasıyla son zamanlarda imalat ve malzeme alanında nanoparçacıkların kullanılması ile ilgili önemli gelişmeler yaşanmıştır. Kendi kendini temizleyen yüzeyler ve camlar bunun en iyi örnekleridir. Yüksek aktivasyona sahip titanyum dioksit ile kaplanmış bu malzemeler, su tutmayan ve anti bakteriyel özelliklere sahiplerdir. Dokunmaya duyarlı, oda sıcaklığında hızlı ve tekrar tekrar kendini iyileştirebilen nikel nanoparçacık takviyeli polimer kompozitlerle imal edilmiş ilk sentetik materyalde bir diğer örnektir.
Malzeme bilimi ve nanoteknolojideki ilerlemeler sayesinde nanomalzemelerin yapısal özelliklerinin aydınlatılması mümkün hale gelmiştir. Özellikle yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskopları (TEM) ve taramalı tünelleme mikroskopları (STM) gibi gelişmiş görüntüleme teknikleri, nanomalzemelerin atomik düzeyde incelenmesine olanak tanımıştır. Bu incelemeler sonucunda spesifik bir bilim insanından ziyade, bazı araştırma grupları yapısal kusurların keşfini gerçekleştirmişlerdir.
Nanoparçacıklardaki kusurların tespiti, malzeme mühendisliği ve nanobilim alanlarındaki araştırmacılara çeşitli avantajlar sağlamaktadır. İlk olarak, bu kusurların türleri ve dağılımı, malzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini anlamak için önem arzetmektedir. Örneğin, bir nanoparçacıkların yüzeyindeki kusurlar, malzemenin reaktivitesini ve yüzey etkileşimlerini belirleyerek katalitik özelliklerini etkileyebilmektedir.
Kusurların tespiti, nanoteknoloji uygulamaları için güvenilir ve etkili nanomalzeme sentezi ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesine yönelik önemli bir adımdır. İyi karakterize edilmiş nanoparçacıklar, nanoteknoloji alanındaki yenilikçi uygulamalara olanak tanırken, bu kusurların minimize edilmesi veya kontrol edilmesi, endüstriyel uygulamalarda güvenilir ve yüksek performanslı nanomalzemelerin elde edilmesini sağlamaktadır.
Yapısal Kusurlar
İleri teknolojik malzemelere olan ihtiyacın giderek artması ve fonksiyonel malzeme tasarımının yaygınlaşması dolayısıyla malzemelerin yapısal kusurları önemli bir konu haline gelmiştir. ’’ Kusur ’’ kelimesi genellikle hoş olmayan bir çağrışıma sahiptir. Genellikle makro düzeydeki malzemelerde kusurların zararlı olduğu bilinmektedir. Fakat nanoteknoloji alanında bu kusurlar oldukça faydalı hatta malzemelere fonksiyonellik kazandırabilmektedir. Son yıllarda, genellikle stokiyometrik olmayan (bileşenlerinin oranları sabit olmayan) bileşikler olarak adlandırılan büyük kusurlara sahip malzemeler, en yaygın olarak otomobil egzoz sistemlerinde kullanılan potansiyometrik sensörler dışında sadece birkaç uygulamada bulunmaktaydı. Fakat yakın zamanda kullanımları yaygınlaşmıştır. Aralarına yerleştirilmiş elektrotlara sahip lityum – iyon piller, taşınabilir elektronik cihazlar gibi bir dizi uygulamada kullanılabilir duruma gelmiştir.
Kusurların tam olarak anlaşılabilmesi için şu şekilde tanımlamak daha doğru olur : İdeal (veya referans) bir kristal ile gerçek bir kristal arasındaki yapısal farklardır. Nanomalzemelerde yapı kusurları, malzemenin atomik veya moleküler düzeydeki düzeninde meydana gelen hataları ifade etmektedir. Bu kusurlar, malzemenin özelliklerini etkileyebilmekte ve istenmeyen sonuçlara neden olabilmektedir.
Nanomalzemelerdeki yapı kusurları, birçok farklı şekilde ortaya çıkabilir. Örneğin, kristal yapıdaki atomlar arasında yer değiştirme, atomların eksik veya fazla olması, kristal yapıdaki düzenin bozulması gibi kusurlar görülebilmektedir. Bu kusurlar malzemenin mekanik, elektriksel, optik ve manyetik özelliklerini etkileyebilmektedir. Aynı zamanda katı hal fiziği ve optikte önemli bir konu olan ‘’ renk merkezleri ‘’ bu konu hakkında daha spesifik bilgiler vermektedir. Yalıtkanların büyük bir çoğunluğu görünür ışıkta şeffaftırlar. Fakat bazen bu kristaller renkli gözükebilmedirler. Bir kristalin renkli gözükmesinin nedenini kristalde var olan ve renk merkezleri olarak adlandırılan, görünür ışığı soğuran kusurların var olmasından dolayı olabilmektedir. Yani, görünür ışığı soğuran kristal örgüdeki kusurlara renk merkezleri denir. Bu kusurlar geçiş metal iyonları gibi arayer safsızlık (kirlilik) iyonları olabilmektedirler. Renk merkezleri, optik özellikleri nedeniyle örneğin lazerlerde, optik sensörlerde, optik belleklerde ve kuantum bilgisayarlarda kullanılabilmektedirler.
Malzeme yapısında başlıca 3 farklı türde kusur mevcuttur. Bu kusurları noktasal, çizgisel ve hacimsel olarak sınıflandırmak mümkündür:
Noktasal Kusurlar
Noktasal kusurların önemi, malzemenin kullanım ve uygulama alanına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Bazı uygulamalarda, noktasal kusurların toleransı çok düşüktür ve malzemelerin sıkı kalite kontrolüne tabi tutulması gerekmektedir. Özellikle yarı iletkenler gibi hassas elektronik malzemelerde, noktasal kusurların önemi çok yüksektir. Termodinamik açısından noktasal kusurları tanımlamak gerekirse, ideal bir kristalin yapılandırma entropisine eklenen herhangi bir atomik varlık olarak tanımlanmaktadır.
Günümüzde en çok bilinen nokta kusurları şu şekildedir :
– Schottky Kusuru: Atomun olması gereken yerde olmaması
– Frenkel Kusuru: Atomun kendi yerinde bir boşluk oluşturarak arayer bölgesine yerleşmesi
– İlave Atomlar
– Yabancı Atomlar
Nokta kusurlarını neden tanımlamak istediğimiz sorusuna ikinci bir cevap ise bu tanımlamanın sadece bir akademik çalışmadan ziyade son derece faydalı sonuçlar verecek olmasıdır. Nokta kusurları aynı zamanda yarı parçacıklar (quasiparticles) olarak da tanımlanırlar. Yarı parçacıklar, tam anlamıyla parçacık veya tam anlamıyla dalga olmayan parçacıklardır. Bu tür parçacıklar, belirli bir enerji düzeyinde bulunurlar ve bazı parçacık özelliklerine sahiptirler, ancak diğer özellikleri dalga benzeri davranış sergilemektedirler. En iyi bilinen yarı parçacık örneklerinden biri elektrondur. Elektron, hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olan bir yarı parçacıktır. Diğer örnekler arasında fotonlar (ışık parçacıkları), nötronlar ve protonlar yer almaktadır. Çekirdeklerin ve elektronların seviyesinde veya iyonların seviyesinde katılar karmaşık sistemler haline gelirler. Bundan dolayı eğer açıklamalar parçacıklar düzeyinde yürütülürse, bunların özelliklerinin niceliksel olarak ele alınması zorlaşmaktadır. Yarı parçacıkları tanımlayarak niceliksel işlemleri büyük ölçüde basitleştirebilmekteyiz.
En iyi bilinen yarı parçacık, bir yarıiletkenin elektron boşluğudur. Malzemenin değerlik bandındaki tüm elektronları düşünmek yerine, eksik olanlara odaklanırız. Nokta kusurları diğer yarı parçacıklar gibi kristalin dışında var olmazlar, Fermi – Dirac istatistiklerine uyarlar ve tanımları malzemenin özelliklerini niceliksel işlemine izin vermektedir. Bu nedenle nokta kusurlarını gereklilik ve basitlik için tanımlamaktayız.
Nanomalzemelerin üretimleri esnasında yapısal ve morfolojik özelliklerinin kontrol edilmesi yönünde önemli derecede çalışmalar yapılmaktadır. Metal oksit nanoparçacıklar kataliz, sensörler, (opto) elektronik malzemeler ve çevresel iyileştirme dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için ilgi çeken malzemeler olarak bilinmektedir. Yarı iletken metal oksit nanoparçacıkların keşfinden bu yana, optik, optoelektronik, kataliz ve piezoelektrikteki benzersiz ve yeni uygulamaları nedeniyle fonksiyonel oksit bazlı, tek boyutlu nanoyapılara yönelik araştırmalar hızla genişlemektedir. Metal oksitler, yarıiletken özelliklere sahip oldukları için mikroelektronik cihazlar için önemlidir. Örneğin, titanyum dioksit (TiO2), çinko oksit (ZnO) ve magnezyum oksit (MgO) transistörler ve yarıiletken cihazlarda kullanılabilmektedirler. Nanoteknoloji, bu malzemelerin nano boyutlarda düzenlenmesini ve özelliklerinin kontrol edilmesini sağlar, bu da daha etkili ve verimli elektronik cihazların geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Metal oksit nanomalzemeleri, enerji depolama cihazları için de önemli olabilmektedir. Özellikle lityum-iyon pillerde tercih edilen metal oksitler, nanoteknoloji ile daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha hızlı şarj/deşarj özellikleri elde etmeyi mümkün kılabilmektedir. Nanoteknoloji, malzemelerin yüzey alanını artırarak fotokatalitik aktiviteyi artırabilmektedirler. Ayrıca, metal oksit nanomalzemeler, güneş hücrelerinde de kullanılabilmektedir, çünkü nano boyutları, ışığı daha etkili bir şekilde yakalama ve dönüştürme potansiyeli sunmaktadır. Bazı metal oksit nanomalzemeleri, biyomedikal uygulamalarda da sıkça tercih edilmektedir. Örneğin, demir oksit (Fe2O3) nanoteknoloji ile nano tıp ve görüntüleme sistemlerinde uygulanmaktadır. Bu, tıbbi tanı ve tedavide yeni olanaklar sunmaktadır. Metal oksit nanomalzemeleri, su ve hava kirliliği kontrolü için oldukça önem arz etmektedir.
Nanoparçacıklarda kusur konusu ileri teknolojilerin geliştirilebilmesi için oldukça önemli bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır.
Kaynaklar:
https://www.sciencedirect.com/book/9780081019177/defect-structure-and-properties-of-nanomaterials
Derleyen: Atalay Bozdoğan – Akdeniz Üniversitesi Makine Mühendisliği Öğrencisi
