Nanoteknoloji, en az bir boyutu nanometre ile ölçülebilen, moleküler ve atomik ölçekte dizayn edilmiş işlevsel yapıların inşa edilmesi veya kullanılmasıdır. Burada önemli olan nokta, söz konusu yapıların sentetik olması, yani insan eli ile inşa edilmiş olmasıdır. Doğada bulunan atomik ve moleküler yapılar bu tanıma girmezler. Nanoteknolojinin ne kadar küçük olduğunu hayal etmek oldukça zordur. Bir nanometre bir metrenin bir milyarda birine eşittir. İnsan saç telinin ortalama kalınlığı elli bin, bir kâğıdın kalınlığı ise yüz bin nanometredir.
Nanoteknolojinin Tarihçesi
Nanoteknoloji ve nanobilimin temelindeki fikirler ve kavramlar 29 Aralık 1959 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde (CalTech) Amerikan Fizik Topluluğu (APS) tarafından düzenlenen bir toplantı sırasında, Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman tarafından ortaya konulmuştur. Yaptığı konuşmada Feynman maddeyi atomik seviyede kontrol etmenin muntazam potansiyelinden bahsederek sahip olduğumuz bilginin günden güne bu seviyeye yaklaştığını ifade etmiştir. Nanoteknoloji kelimesi ise bundan yaklaşık on yıl sonra Prof. Norio Taniguchi tarafından icat edilir. Gerçek anlamda modern nanoteknolojinin başlaması ise 1981 yılında atomları görmemizi sağlayan tarama tünelleme mikroskobunun icadı ile gerçekleşmiştir. Milenyum sonrası dünyada ise Nanoteknoloji, en fazla yatırım yapılan alanlardan biri haline gelmiş gibi görünmektedir. ABD Ar-Ge çalışmaları için 2017 Federal Bütçesinde nanoteknolojiye 1.4 milyar Dolar ayırmış, 2001’den bu yana toplam 24 milyar Dolar Ar-Ge faaliyetlerinde kullanılmıştır. Benzer bir şekilde Avrupa Birliği ve Japonya da araştırmalara büyük miktarda kaynak transfer etmektedir. Yüzden fazla akademik enstitü, araştırma tesisi, devlet kurumu nanoteknoloji üzerine çalışma yapmaktadır.
Nanoteknolojinin Uygulama Alanları ve Faydaları
Amerika Ulusal Nanoteknoloji Girişimi’nin kurucusu Mihail C.Roco nanoteknolojinin gelişimini dört nesilde sınıflandırır:
- Birinci Nesil: Pasif Nanoyapılar, sadece tek bir görevi yerine getirmek için dizayn edilmiş maddeler.
- İkinci Nesil: Aktif Nanoyapılar, birden fazla görevi yerine getirebilen “Çok-görevli” maddeler.
- Üçüncü Nesil: Nanosistemler, birbirleri ile iletişim halinde çalışan binlerce farklı maddeden oluşan sistemler.
- Dördüncü Nesil: Birleşmiş nanosistemler, çok karmaşık görevleri yerine getirebilen iç içe geçmiş nanosistemler.
İnsanlık ise sahip olduğu teknoloji ile şimdilik ikinci nesil nanoyapıları kullanmaktadır. Fakat bu seviyede bile nanoteknoloji birçok farklı endüstri ve teknolojide devrimsel nitelikte ilerlemeler kaydedilmesini sağlamıştır. Bilişim teknolojileri, tıp, çevre bilimleri, güvenlik alanlarındaki gelişmeler buna örnektir.
Elektronik ve IT Alanlarındaki Gelişmeler
Nanoteknoloji daha hızlı, daha küçük, taşınabilir ve daha fazla veri depolayabilen sistemlerin geliştirilmesini sağlayarak bilgisayar ve elektronik teknolojilerindeki başlıca ilerlemelere katkıda bulunmuştur.
- Transistorlar, bütün modern bilgisayarların çalışmasını sağlayan basit anahtarlar, nanoteknoloji sayesinde gittikçe küçülmektedir. Bu yüzyılın başında bir transistorun boyutu 130 ile 250 nanometre arasında iken 2014 yılında Intel 14 nanometre boyunda bir transistor geliştirmiştir. IBM 2015 yılında ilk 7 nanometre boyunda transistoru yaratmış, Lawrence Berkley Ulusal Laboratuvarı 2016 yılında 1 nanometre büyüklüğünde bir transistoru dünyaya tanıtmıştır. Daha küçük ve daha hızlı transistorlar yakın zamanda bir bilgisayarın tüm belleğinin tek bir küçük çipe yerleştirilmesini sağlayabilir.
- Esnetilebilen, bükülebilen ve katlanabilen elektronik eşyalar yavaş yavaş hayatımıza girmeye başlamıştır. Esnek telefonlar, katlanabilir elektronik kağıtlar, kıyafetlere dikilebilen fotovoltaikler (ışığı elektrik enerjisine çeviren teknoloji) gibi gelişmelere hayat kalitemizi arttırmaktadır.
- Şu an piyasadaki çok yüksek çözünürlüklü ekranlar ve televizyonlar sadece birkaç nanometre büyüklüğündeki kuantum noktalarını (QD) kullanarak çok daha canlı renkler verirken daha az enerji tüketmektedir.
Tıp ve Sağlık Hizmetlerindeki Gelişmeler
Nanoteknoloji şu an sahip olduğumuz tıbbi araçları, bilgiyi ve metotları genişletmekte ve geliştirmektedir. Nanotıp, nanoteknolojinin tıp alanına uygulanması, hastalıkların engellenmesi, teşhis edilmesi ve tedavi edilmesi için kesin sonuçlar sunmaktadır.
- Altın nanoparçacıklar potansiyel kanser tedavisi olarak klinik olarak araştırılmaktadır.
- Nanoteknoloji sayesinde yaratılan daha iyi görüntüleme ve teşhis araçları, hastalıkların daha erken teşhis edilmesinin ve kişiselleştirilmiş tedavi seçeneklerinin kullanılmasının yolunu açmaktadır.
- Nanoteknoloji araştırmacıları gerekli ilacı direk kanserli hücreye vererek sağlıklı dokuya zarar gelmesini engelleyecek nanoparçacıklar geliştirmeye çalışmaktadır. Bu kanser tedavisine yaklaşımımızı değiştireceği gibi kemoterapinin risklerini de ortadan kaldıracaktır.
- Nanoteknolojininrejeneratif tıp (onarıcı tıp) alanında kullanılmasına yönelik araştırmalar kemik ve sinir dokusu mühendisliği gibi birçok farklı uygulama alanına yayılmıştır. Araştırmacılar, bir gün organ nakli için kullanılacak organları üretebilmek amacı ile karmaşık dokuların üretilmesi üzerine çalışmaktadır.
- Nanotıp araştırmacıları Nanoteknoloji yolu ile aşıları geliştirmeye çalışmaktadır. İğnesiz aşı sistemleri ve evrensel grip aşısı projeler arasındadır.
Enerji Alanındaki Gelişmeler
Nanoteknoloji, geleneksel enerji kaynaklarının kullanımında uygulama alanı bulduğu gibi Dünya’nın artan enerji ihtiyacını karşılamak için alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesinde de kullanılmaktadır. Birçok bilim insanı temiz, ucuz ve yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi, enerji tüketiminin azaltılması ve enerji üretiminin doğal çevre üzerindeki zararlarının azaltılması için çalışmaktadır.
- Nanoteknoloji ham petrolden benzin üretilmesinde verimi arttırmaktadır. Ayrıca daha verimli yanma ve daha düşük sürtünme ile otomobillerde ve elektrik santrallerinde benzin tüketiminin azalmasını sağlamıştır.
- Karbon nanotüpler sayesinde çok daha düşük dirence sahip elektrik tellerinin üretilmesi için araştırmalar yapılmaktadır. Bu sayede elektrik hatları üzerinde transfer sırasında kaybedilen güç azaltılacaktır.
- Nanoteknoloji sayesinde güneş panellerinin verimi arttırılacak ve fiyatları düşürülecektir. Yeni paneller kâğıt inceliğinde yapılabilecektir. Hatta son çalışmalar güneş panellerinin “boya” olarak kullanılabileceğini göstermektedir.
- Nanoteknoloji daha fazla enerji tutan, daha hafif, daha hızlı şarj olan ve daha uzun süre şarjlı kalan bataryaların üretilmesinde kullanılmaktadır.
- Nanoteknoloji ile üretilen materyaller kullanılarak rüzgâr değirmenlerinin kolları daha uzun, daha güçlü ve daha hafif yapılmakta, böylece üretilen elektrik artmaktadır.
- Üretilen verimli aydınlatma sistemleri enerji tüketimini dünya genelinde azaltmayı amaçlamaktadır.
Çevre Islahı
Nanoteknoloji enerji üretiminde verimi arttırabileceği gibi çevresel atıkların tespit edilmesi ve temizlenmesi için bize yardım da edebilir.
- Nanoteknoloji suyun içindeki kirliliğin, düşük maliyet ile tespit edilip temizlenmesini sağlayarak, temiz ve ucuz içme suyu ihtiyacının karşılanmasına olanak sağlayacaktır.
- Kimyasal reaksiyonlar ile yer altı suyundaki endüstriyel kirleticileri zararsız hale getiren nanoparçacıklar geliştirilmiştir. Bu işlem suyun temizlenmek için dışarı pompalanmasına kıyasla çok daha ucuzdur.
- Araştırmacılar potasyum mangan oksitten küçük teller ile örülmüş nano-kumaş “kâğıt havlular” üretmiştir. Bu havlular kendi ağırlıklarının yirmi katı petrolü emme kapasitesine sahiptir.
- Uçak kabinlerinde kullanılan hava filtreleri Nanoteknoloji ile üretilmiş “mekanik filtrasyon” yapan filtrelerdir. Filtrelerin içindeki fiber materyaller nano-ölçekte gözeneklere sahiptir ve daha büyük parçacıkların geçişine izin vermez. Ayrıca filtrelerin sahip olduğu kömür tabakalar kokunun geçişini engeller.
- Nanoteknoloji ile yapılan sensorlar ve solüsyonlar topraktaki ve havadaki kimyasal veya biyolojik ajanları eskisine göre çok daha hızlı ve büyük bir hassasiyetle tanımlamaktadır. NASA tarafından geliştirilen bir sensor, akıllı telefon uzantısı aracılığı ile itfaiyecilerin yangıların etrafındaki hava kalitesini ölçmelerini sağlamaktadır.
- Mühendisler geliştirdiklerinano-gözeneklere sahip ince film zarlar ile enerji tasarruflu desalinasyonu (tuzdan arındırma) mümkün kılmıştır. Molibendumdisülfür (MoS2) isimli bu zar, normal filtrelere göre iki ile beş kat arası daha fazla su filtre etmektedir.
Ulaşım Alanındaki Gelişmeler
Nanoteknoloji daha hafif, güvenli, akıllı ve verimli taşıtların yapılması için çok fonksiyonlu materyallerin üretilmesini vaat etmektedir. Ayrıca ulaşım altyapısının geliştirilmesi de araştırma konusu olmuştur.
- Nano-mühendislik ile üretilmiş alüminyum, çelik, asfalt, beton ve diğer çimentomsu materyaller ve bunların geri dönüştürülmüş formları otoyolların ve diğer ulaşım altyapısı parçalarının ömürlerinin uzatılması, performans ve dayanıklılıklarının arttırılmasında gelecek vaat etmektedir. Gelecekte kendi kendisini tamir eden ve üzerinden enerji transferi yapılabilen yolar mümkün olacaktır.
- Nanoteknoloji ile üretilmiş olan çok hafif ve çok güçlü materyaller bütün taşıtların üretiminde kullanılabilecek böylece taşıtların verimlilikleri arttırılabilecektir. Yapılan hesaplara göre bir ticari uçağın ağırlığındaki yüzde yirmilik düşüş yakıt tüketimini yüzde on beş azaltacaktır.
Görüldüğü gibi birkaç düzine yıla yayılan kısa yolculuğunda Nanoteknoloji büyük yol alarak hayatımıza girmiştir. Birçok bilimsel disiplinde ve farklı endüstrilerde kullanılan bu teknoloji gelecekte de ivmelenerek ilerlemeye devam edecektir.