New York Times’ın 2009 yılı raporuna göre, nanoteknoloji pazarı büyük bir ivme kazanarak genişleyecek ve gelecek on yıl içerisinde 225 milyar dolarlık ürün satışı görülecekti. Nitekim günümüzde bu tahminin doğru olduğunu görmüş olduk ve UNESCO Bilim Raporu’na göre, 2030'a kadar açıklandığı gibi nanoteknoloji birçok ülke için bir araştırma önceliği haline gelmiş oldu.
Thomson Reuters'in UNESCO Bilim tarafından aktarılan verilerine göre, İsviçre, Kore Cumhuriyeti, Almanya, Fransa, ABD ve Japonya gibi ülkeler, diğer güçlü ülkelere liderlik ederek nanoteknolojiyi gelişmiş üretimin (yenilik odaklı) önemli bir unsuru haline getirecektir.
Medikal uygulamalardan tarıma; mühendislikten günlük hayatta kullandığımız kişisel bakım ürünlerine kadar her yerde karşımıza çıkan “nanoteknoloji” hikayesi nasıl başladı ?
Nanobilim, fütüristik planlamaların baş rolü olsa da aslında şu anda çoktan geleceği yaşamaya başlamış olabilir miyiz?
Nano- ön eki, etimolojik olarak Yunanca’ya dayanmakta ve cüce (νάνος-nânos) kelimesini karşılamaktadır. Bugün ise bildiğimiz anlamıyla, ölçü birimi olarak bir nanometre (nm) bir metrenin milyarda birine eşit olan son derece küçük yapılara tekabül etmektedir. Genetik bilgilerimizi taşıyan DNA’mızın bir iplikçiğinin çapı sadece 2.5 nm (2 m DNA lineer halde, ''Süpersarım, aslında DNA için yürütücülükten daha fazlasını yapar; yayılmacı asi DNA'yı hücrenin sağladığı sıkışık sınırlar içinde tutar, Nicholas Cozzarelli), bir kırmızı kan hücremizin büyüklüğü 7000 nm veya bir gazete sayfasının kalınlığı 100,000 nm’dir. Tıpkı nanokonsepti ilk kez kullanan, efsanevi fizikçi Richard Feynman’ın 1959 yılında Caltech’te (California Institute of Technology) verdiği o meşhur konuşmasında dediği gibi (tıklayınız) “There’s Plenty of Room at The Bottom” yani “Aşağıda Daha Çok Yer Var”. Geleceğin ve modern mühendisliğin tasarımı hakkında bir yol haritası olan o konuşmada, R. Feynman’ın ön gördüğü bazı başlıklar ise şu şekildedir:
24 ciltlik Britannica ansiklopedini bir toplu iğne başlığına neden yazmayalım?
Fevkalade biyolojik yapılar,
Bilgisayarları minyatürleştirme?(Bu kısım aslında yapay zeka ile ilişkilendirilebilir.)
Atomları yeniden organize etme?
Küçük bir dünyada atomlar?
Bu başlıklarla beraber nanoteknolojiyi kavramış olsak da ''Nanoteknoloji'' terimi ilk kez, Norio Taniguchi (Tokyo University-1974) tarafından, mühendislik materyallerinin nanometre seviyesindeki yeteneğine dikkat çekmek için kullanılmıştır.
Peki gerçekten bu serüven 60 yıl önce mi başladı yoksa öncesi de var mıydı? Sıkı tutunun, yolculuğumuzda 1600 yıl kadar geriye uzanıyoruz.
O günün teknolojileri ile imkansız görünse de, MS. 4. yy’a ait olan Lycurgus kupası (Şekil 1) aslında metal nanoparçacıklar (NP) içermektedir. Adını Sparta’nın kanun koyucusu; finansal tutumluluk, vatandaş eşitliği gibi konuların O’nun için özel bir öneme sahip olduğu Lycurgus’tan alan bu cam kadeh, dışarıdan ışık tutulduğunda yeşim rengi, içeriden tutulan bir ışık kaynağında ise kırmızı rengini almaktadır.
Şekil 1. Lycurgus kupası
Bugün British Museum’da (https://www.britishmuseum.org/) sergilenen kupanın sırrı 1980’lerin sonuna doğru Geçirimli Elektron Mikroskobu (Transmission Electron Microscope-TEM) ile yapılan farklı incelemeler ile ortaya çıkmıştır (Şekil 2a). Cam matris içerisine kolloidal halde dispers edilmiş olan, 50-100 nm çapındaki metal NP’ların varlığı belirlenmiş, X-ray analizleri ile de altın:gümüş (Au:Ag) oranının 7:3 olduğu, aynı zamanda kadehin yaklaşık %10 oranında bakır (Cu) içeriğine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra cam kadeh, 15-100 nm aralığında NaCl gibi farklı parçacıklar da içermektedir (Şekil 2b).
Yaklaşık 520 nm dalgaboyundaki ışığın Au NP’lar tarafından absorplanması sonucu kırmızı renk oluşurken, 40 nm’den daha büyük Ag NP’lar sayesinde kadeh yeşil renge bürünmekte, böylece dikroik (iki renkli) görünmektedir. Şu durumda, Lycurgus kupası için en eski, sentetik nanokompozit malzeme demek yanlış olmayacaktır.
Şekil 2. Lycurgus kupasının içinde yer alan (a) Ag:Au parçası ve (b) NaCl parçasının TEM
görüntüsü
Akademik çalışmalarda da son derece ilgi gören bir disiplin olan nanobilimin etkisini, 2013-2018 arasındaki yıllarda farklı nanomalzeme türlerini konu alan, yayınlanmış patent sayısındaki değişimi gösteren aşağıdaki grafikten de anlayabiliriz.
UPSTO’da (United States Patent and Trademark Office) Nanoteknoloji Bazlı Patent Uygulamaları
Peki nanobilim hayatımıza hangi uygulamaları getiriyor?
Geride bıraktığımız Haziran ayında, İtalya Teknoloji Enstitüsü'nde (IIT-Istituto Italiano di Tecnologia) çalışan bilim insanları fotoaktif NP’lardan yararlanarak Dünya'nın ilk yapay sıvı retina protezini üretmeyi başardı. Alanında oldukça prestijli bir dergi olan Nature Nanotechnology'de çıkan yayına göre bu biyouyumlu ve mikro-enjekte edilebilir sıvı retina protezi, aynı ekibin 2017 yılında Nature Materials dergisinde organik yarı-iletken malzemeleri baz alan planar retina modelinin geliştirilmesiyle oluşturulmuş. İkinci nesil olan yapay retina, yaklaşık 300 nm boyutundaki fotoaktif polimerik NP’lar içeriyor ve insan retinasını taklit etme prensibiyle çalışıyor. Bu sayede, gözümüzde yer alan fotoreseptörlerin dejenerasyonu ile körlüğe kadar gidebilen hastalıklara [Örn: retinitis pigmentosa (RP)] karşı koyabilecek yeni bir tedavi yolunun da önünü açıyor. (Ayrıntılı yayına ulaşmak isteyenler tıklayınız, ayrıca retina hastalığı olan diyabetik retinopati için tıklayınız.)
2019 Aralık ayından beri bütün insanlığı etkisi altına alan pandemi sürecinde her ne kadar dünyada hayat durmuş gibi görünse de sahne arkasında canla başla çalışan gruplardan biri de bilim insanlarıydı. Hem COVID-19 tedavisinde kullanılacak hem de vücudumuzu virüse karşı koruyacak çalışmalara imza attılar. Önleme aşamasında nanofiber bazlı yüz maskeleri, nanoteknolojiyle etkinleştirilmiş yüksek etkili antimikrobiyal ve antiviral dezenfektanlar ilk kişisel koruyucu adımlar olarak karşımıza çıkmaktadır.
Her sene yaz mevsiminin gelmesiyle hayatımızda kendini daha çok gösteren, Güneş’in zararlı UV ışınlarına karşı kullandığımız güneş koruyu kremlerin büyük çoğunluğunun içerisinde iyi bir filtreleme özelliği gösterdiği için nanoboyutlu ZnO ve TiO2 bulunmaktadır. [Bunlar için FDA (U.S. Food and Drug Administration-Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) tarafından belirlenen üst konsantrasyon limiti %25’tir.]
Nanoteknoloji günümüzde büyük bir ivme ile hızlanan uzay çalışmalarında da büyük bir paya sahiptir. Bu konuda çalışan araştırmacıların odaklandığı konulardan birkaçı şu şekildedir:
Uzay araçlarının ağırlığını azaltmak için karbon nanotüplerden yapılmış malzemeler kullanarak yanısıra yapısal mukavemeti korumak hatta arttırmak,
Uzay giysilerinde oluşabilecek hasarlara karşı cevap verebilen bio-nano robot uygulamaları,
Uzay araçlarındaki yaşam destek sistemlerinin performansını izlemek için eser miktardaki kimyasal seviyesini saptamak amacıyla nanosensörlerin kullanılması. (Nanomalzemeler sınıfında olan biyosensörler yazısına ulaşmak için tıklayınız.)
Son söz olarak;
Faydaları yanında elbette ki hakkındaki henüz aydınlatılmamış soru işaretleri ve yeni toksinler, kirleticiler oluşturarak çevre üzerinde olumsuz etkilere sebep olma, malzemelerin üretim süreçlerindeki değişiklikler ile mevcut iş alanlarını negatif etkileme vb. potansiyele sahip olması dolayısıyla nanoteknoloji daha iyi çözümler için çokça araştırılmaya devam edilecek gibi duruyor.
Kendiniz ve sevdikleriniz için maskenizi takmayı unutmayın. Bilimle ve sağlıkla kalın!
Bu yazının oluşmasında emeği olan Sabancı Üniversitesi'nde Materials Science and Nanoengineering Bölümü'nde doktora öğrencisi olan Tuğçe Çinko'ya teşekkür ediyorum, kendisi oldukça başarılı bir bilim insanı ve şuan Türk bilim insanı Canan Dağdeviren'in geçtiği kürsüde akademik hayatına devam ediyor, başarılarının daim olmasını diliyorum.
Tuğçe Çinko Linkedin hesabı:https://www.linkedin.com/in/tu%C4%9F%C3%A7e-%C3%A7inko/?originalSubdomain=tr
Yazarlar: PhD Student Tuğçe Çinko, MSc Büşra Yusufoğlu
Hazırlayan:MSc Büşra Yusufoğlu
İleri Okumalar:
5. The Royal Society & The Royal Academy of Engineering (RSREA), “Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties”, 2004, London.
6. M. Loos, “Carbon Nanotubes Reinforced Composites”, Elsevier, 2015.
7. M. T. Amin et al., “A Review of Removal of Pollutants from Water/Wastewater Using Different Types of Nanomaterials,”, Advances in Materials Science and Engineering, 2014.
Comments