Farklı fonksiyonel gruplara sahip kaliksaren temelli polikarilonitril nanofiberlerin sentezi ve protein adsorpsiyon çalışmaları

FARKLI FONKSİYONEL GRUPLARA SAHİP KALİKSAREN TEMELLİ POLİAKRİLONİTRİL

NANOFİBERLERİN SENTEZİ VE PROTEİN ADSORPSİYON ÇALIŞMALARI

Mukaddes KESKİNATEŞ Y

üksek L sans Tez

B yomühend sl k Anab l m Dalı B yomühend sl k Programı Doç. Dr. Mevlüt BAYRAKCI

T.C.

KARAMANOĞLU MEHMETBEY ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

FARKLI FONKSİYONEL GRUPLARA SAHİP KALİKSAREN TEMELLİ POLİAKRİLONİTRİL NANOFİBERLERİN SENTEZİ VE PROTEİN

ADSORPSİYON ÇALIŞMALARI

YÜKSEK LİSANS TEZİ Mukaddes KESKİNATEŞ

Anabilim Dalı: Biyomühendislik Program : Biyomühendislik

Tez Danışmanı: Doç. Dr. Mevlüt BAYRAKCI

TEZ BİLDİRİMİ

Yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu tezin yazılmasında bilimsel ahlak kurallarına uyulduğunu, başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların başka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapılmadığını, tezin herhangi bir kısmının bu üniversite veya başka bir üniversitedeki başka bir tez çalışması olarak sunulmadığını beyan ederim.

i ÖZET

Yüksek Lisans

FARKLI FONKSİYONEL GRUPLARA SAHİP KALİKSAREN TEMELLİ POLİAKRİLONİTRİL NANOFİBERLERİN SENTEZİ VE PROTEİN

ADSORPSİYON ÇALIŞMALARI

Mukaddes KESKİNATEŞ

Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Biyomühendislik Anabilim Dalı

Danışman: Doç. Dr. Mevlüt BAYRAKCI

Ağustos, 2017

Bu tez çalışmasında, farklı halka boşluk çapına sahip ester türevli kaliks[n]aren (n: 4, 6 ve 8) bileşikleri sentezlenmiş ve yapıları spektroskopik yöntemlerle aydınlatılmıştır. Sentezlenen bu yapıların aminoasit ve protein bağlama çalışmaları sıvı-sıvı ekstraksiyon tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ekstraksiyon değerlerinden kaliks[4]aren tetra ester türevinin hem aminoasit hemde protein bağlama veriminin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Protein ve amino asitlere karşı daha etkili olan kaliksaren ester türevinin tespitinden sonra farklı miktarlarda kaliks[4]aren tetra ester türevi ihtiva eden yeni tipte poliakrilonitril (PAN) ve/veya Poli(metil metakrilat) (PMMA) nanofiber yapıları hazırlanmış ve bu yapıların karakterizasyonu başarılı bir şekilde yapılmıştır. Yeni yapıların hem aminoasit hemde protein bağlama yetenekleri katı-sıvı ektraksiyon tekniği kullanılarak incelenmiştir. Başarılı bir şekilde yapısı aydınlatılan nanofiber mazlemelerinin model protein olarak seçilen yeşil floresans proteine (GFP) karşı, protein bağlama özellikleri ayrı ayrı çalışılmıştır. Protein adsorpsiyon deneylerinden, kaliksaren temelli PAN veya PMMA nanofiber yapılarının sulu çözeltilerde protein bağlama

ii

noktasında etkili birer destek malzemesi olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir. Yine bu çalışmada, protein-nanofiber etkileşim mekanizmasını açıklayabilmek için, PAN ve PMMA nanofiber yapılarının amino asit bağlanma çalışmaları katı faz ekstraksiyon tekniği kullanılarak yapılmıştır. Bu çalışmalardan, aromatik yan gruplara sahip aminoasitlerin diğer türevlere göre daha etkili bağlandığı görülmüştür. Bu durumun daha çok aromatik halkalar içeren aminoasit türevleri ile yüzeyde bulunan kaliksaren moleküllerinin muhtemel konuk-konak kompleksleşeme eğiliminden dolayı olduğu sonucuna varılmıştır. Yine fiber yapılarının yüzeyinde bulunan kaliksaren bileşiklerinin gerek aminoasit gerekse protein bağlanma verimi üzerine etkilerini incelemek için kaliksaren içermeyen saf PAN ve saf PMMA nanofiber yapılarınında ekstraksiyon çalışmaları ayrıca gerçekleştirilmiştir. Yapılan tüm ekstraksiyon çalışmalarından, kaliksaren içeren fiber malzemelerin daha etkili olduğu görülmüştür. Bu tez sayesinde protein saflaştırma çalışmalarında membran olarak kullanılabilecek yeni tipte malzemelerin sentezi ve uygulanabilirliği başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

iii ABSTRACT

Ms Thesis

SYNTHESIS AND PROTEIN ADSORPTION STUDIES OF POLYACRYLONITRILE NANOFIBERS BASED CALIXARENE

HAVING DIFFERENT FUNCTIONAL GROUPS

Mukaddes KESKİNATEŞ

Karamanoğlu Mehmetbey University Graduate School of Natural and Applied Sciences

Department ofBioengineering

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Mevlüt BAYRAKCI August, 2017

In this thesis, calix[n]arene (n: 4, 6 and 8) compounds with ester derivative having different cavity diameters have been synthesized and their structures were clarified with spectroscopic methods. Aminoacid and protein binding studies of synthesized structures were caried out using liquid-liquid extraction tecnique. From the obtained extraction data, it was found that the yields of both aminoacid and protein binding yields were higher. After detection of the effective calixarene ester derivative towards protein and aminoacid, new type of polyacrylonitrile (PAN) and/or Poly(metyl methacrylate) (PMMA) nanofiber structures were prepared and the characterization of these structures were succesfully done. Both aminoacid and protein binding abilities of these new structures were investigated by using solid-liquid extraction tecnique. The protein binding properties of nanofibers which was succesfully characterized towards green fluorescent protein (GFP) were severally studied. From the protein adsorption experiments, the structures of PAN or PMMA based calixarene were detected to be used as effective support materials for the protein binding in the aqueous solutions. Also in this study, to eplain the interaction

iv

mechanism of protein-nanofiber, amino acid binding studies of PAN and PMMA nanofiber structures were done by using solid phase extraction technique. From these studies, it was seen that the amino acids having aromatic side groups were bounded more effectively with respect to the other derivatives. It has been concluded that this situation is most probably due to the host-guest complexation tendency of the calixarene molecules appeared onto the surface and aminoacid derivatives containing aromatic rings. The extraction studies of pure PAN and PMMA nanofiber structures without calixarene were also carried out seperately to investigate the effects of the calixarene molecules appeared onto the surface of the fiber structures on both aminoacid and protein binding efficiency. From the performed all extraction studies, it was seen that fiber structures containing calixarene were effective. Thanks to this thesis, the synthesis and usability of the new type of materials to be used as membrane in protein purification studies were successfully carried out.

v ÖNSÖZ

Danışmanım olmayı büyük bir incelikle kabul eden ve tez konumun seçiminde, hazırlanmasında ve yürütülmesinde bana destek veren, beni gerek bilimsel gerekse toplumsal alanda yönlendirerek hayata bakış açımın şekillenmesinde büyük katkısı olan, bilgisini, tecrübesini, güler yüzlü ve anlayışlı tavrı ile saygı değer hocam Sayın Doç. Dr. Mevlüt BAYRAKCI’ya saygılarımla teşekkürlerimi sunarım.

Yüksek lisans süresi boyunca ilminden ve tecrübelerinden faydalandığım, her konuda yardımlarını bir an olsun esirgemeyen değerli hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. Abdullah Tahir BAYRAÇ’a, tez çalışmalarım kapsamında bilgi ve tecrübesinden yararlandığım, somut şekilde tezime katkı sağlayan hocam Sayın Yrd. Doç. Dr.Yakup ULUSU’ya, çalışmalarım sırasında zaman zaman değerli fikirlerinden yararlandığım, desteklerini kalben ve zihnen hep hissettiğim sayın hocalarım Doç. Dr. Nevzat AYDIN ve Yrd. Doç. Ceren BAYRAÇ’a, çalışmalarımda bana her konuda yardımcı olan ve tezimin hazırlanmasında hatrı sayılır şekilde emeği geçen Arş. Gör. Bahar YILMAZ’a, çalışmalarımın zor zamanlarında hayata ve çalışmaya olan azmiyle her konuda yardımcı olan Bedrettin DEMİR’e ve bilgi birikimimin arttırılmasında emeği geçen eğitim hayatım boyunca desteklerini esirgemeyen tüm hocalarıma teşekkür ederim. Yüksek lisans süresi boyunca adeta ailem olan, hayat görüşü, fikirleriyle bana hep destek veren canım dostum Sultan İlayda DÖNMEZ’e ve destekleriyle beni hep mutlu eden değerli ailesine, Karaman’da bulunduğum süre boyunca ellerini omzumda hep hissettiğim, her konudaki desteklerini anlayışla sunan sevgili ablam Cemzade KADER DÜŞGÜN ve sevgili abim Umut DÜŞGÜN’e, düşüncelerle başbaşa kaldığım anlarda beni kalben anlayan dostum Gülnur CAMIZCI’ya, orta ve yükseköğrenim süresi boyunca hep yanımda olan, yokluklarını bir an olsun hissetmediğim sevgili dostlarım Hilal DİNER, Murat ARSLAN, Gülsüm TAKIR, Ebru YAĞMURLU, Buket ERDAT, Ahsen SultanYILMAZ‘a çok teşekkür ederim. Ve bu tezi, onlarsız herşeyin anlamsız olacağı, sevgi, saygı, değer kelimelerini tertemiz kalpleriyle her anımda öğreten, hayattaki en büyük şanslarım, sağduyulu düşüncelerimin adı, kalbim babam Mustafa KESKİNATEŞ, yüreğimin en temiz, en saf tarafı kalbim annem Fatma KESKİNATEŞ, en değerlim, en dayanılmazım kalbim kardeşim Ayşe KESKİNATEŞ’e adıyorum ve onlara yürekten teşekkür ediyorum. Mukaddes KESKİNATEŞ

vi İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ... i ABSTRACT ... iii ÖNSÖZ ... v 1.GİRİŞ ... 1

2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI ... 3

2.1. Nanoteknoloji ... 3

2.1.1. Nanoteknolojinin Uygulama Alanları ... 10

2.1.2. Nanoteknolojide Sentez Yaklaşımları ... 24

2.1.3. Nanoyapıların Karakterizasyonu ... 25

2.2. Nanofiberler ... 43

2.2.1. Nanofiberlerin Kullanım Alanları ... 44

2.3. Supramoleküler Kimya ... 56 2.3.1. Kaliksarenler ... 60 2.3.1.1. Kaliksarenlerin Adlandırılması ... 62 2.3.1.2. Kaliksarenlerin Sentezi ... 63 2.3.1.3. Kaliksarenlerin Özellikleri ... 66 2.3.1.4. Kalisarenlerin Konformasyonları ... 67 2.3.1.5. Kaliksarenlerin Fonksiyonlandırılması ... 68

2.3.1.6. Kaliksarenlerin Kullanım Alanları ... 72

2.4. Kaliksaren Temelli Protein Adsorpsiyonu Çalışmaları ... 78

3. MATERYAL - METOD ... 88

3.1. Enstrümental Teknikler ... 88

3.2. Sentezler ... 89

3.2.1. Kaliksaren Sentezi ... 89

vii

3.2.1.2. 5,11,17,23-Tetra-ter-bütil-25,26,27-tetrametoksikarbonilmetoksi-28-karboksi

metoksi-kaliks[4]aren Sentezi (2) ... 90

3.2.1.3. p-ter-bütilkaliks[6]aren Sentezi (3)... 91

3.2.1.4. 5,11,17,23,29,35-Hekza-ter-bütil-37,38,39,40,41,42 hekzametoksi- karbonil metoksikaliks[6]aren Sentezi (4) ... 91

3.2.1.5. p-ter-bütilkaliks[8]aren Sentezi (5)... 92

3.2.1.6. 5,11,17,23,29,35,41,47,51-okta-ter-bütil-49,50,51,52,53,54,55,56-oktametoksi -karboksimetoksi kaliks[8]aren (6) ... 93

3.2.2. Nanofiber Sentezi ... 94

3.3. Protein ve Aminoasit Bağlama Çalışmaları ... 96

3.3.1. Sıvı-Sıvı Ekstraksiyon ... 96

3.3.2. Katı-Sıvı Ekstraksiyon ... 97

3.4. Sodyum Dodesil Sülfat Poliakrilamit Jel Elektroforez (SDS-PAGE) Analizi .. 98

4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA ... 99

4.1. Sentez ve Karakterizasyon ... 99

4.1.1. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ... 100

4.1.2. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ... 101

4.1.3. Termogravimetrik Analiz (TGA) ... 102

4.2. Aminoasit ve Protein Bağlama Sonuçları ... 103

4.2.1. Sıvı-Sıvı Ekstraksiyon ... 103

4.2.2. Katı-Sıvı Ekstraksiyon ... 105

5. SONUÇ ... 109

viii

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Değişik Uzunluk Ölçüleri ( Roco, 2008) ... 3

Şekil 2.2. Motorize Bir Nano Araba ... 5

Şekil 2.3. Bilim ve teknolojideki temel gelişmeler (Çıracı, 2007) ... 5

Şekil 2.4. Nanoteknoloji ile dünyadaki bilimsel yayın yüzdeleri ... 6

Şekil 2.5. Bir yüzey üzerine atomların teker teker dizilerek Atom Adam’ın yapılması .. 8

Şekil 2.6. Nanoteknoloji Yeni Ürün Yelpazesi ... 9

Şekil 2.7. Nano yapı ile ilaçların hücre içerisine alınması ... 14

Şekil 2.8. Damar içerisinde dolanan ve hücreler ile birebir temasta bulunan nanoteknolojik enjektör ... 15

Şekil 2.9. Karbon nanotop, fulleren (C60) ... 22

Şekil 2.10. Ürün Tanımlamalarında Kullanılan Nanomalzeme Miktarları ... 24

Şekil 2.11. Top-Down ve Bottom-Up Yaklaşımlarının Gösterimi ... 24

Şekil 2.12. Taramalı ve Geçirmeli Elektron Mikroskobu Çalışma Prensibi ... 26

Şekil 2.13. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ... 27

Şekil 2.14. Taramalı Elektron Mikroskobunda Polen Taneleri ... 27

Şekil 2.15. a. TEM'de Elektron Işınının Yolunu Gösteren Genel Bir TEM'in Düzeneği ... 29

b. TEM’de Işığın Kırınım Mekanizması ... 29

Şekil 2.16. AFM ucuna lazerle kuvvet uygulama ... 30

Şekil 2.17. AFM tarama ucu (Özgür ŞAHİN Stanford Üniversitesi/California) ... 30

Şekil 2.18. AFM ile tasarlanan en küçük Türk bayrağı ... 31

Şekil 2.19. FTIR-ATR Spektroskopisi İşleyişi ... 32

Şekil 2.20. Kendi Ekseni Etrafında Dönen Yüklü Parçacık ... 33

Şekil 2.21. Dönüş Enerji Durumundaki Parçacıklar ... 33

Şekil 2.22. Enerji Farkı ... 33

Şekil 2.23. Proton NMR Spektrometresi ... 34

Şekil 2.24. Bazı Hidrojen NMR Örnekleri ... 34

ix

Şekil 2.26. Elektrospin Sisteminin Şematik Görünümü: a) Dikey b) Yatay ... 37

Şekil 2.27. Çizme yöntemi ile nanofiber üretimi (Ramarkrishra, 2005) ... 40

Şekil 2.28. Kendiliğinden tutunma yöntemi ile nanofiber üretimi (Ramarkrishna, 2005). ... 40

Şekil 2.29. Alumina ultra flitre (Shaislamov ve ark., 2007). ... 41

Şekil 2.30. Faz ayırma yöntemi ile fiber üretimi (Ramarkrishna, 2005). ... 41

Şekil 2.31. Kimyasal Buhar Çöktürme Yöntemi Şeması ... 42

Şekil 2.32. Eriyik Püskürtme Yöntemi. ... 42

Şekil 2.33. Lazer Buharlaştırma Düzeneği ... 43

Şekil 2.34. Nanofiber, polen ve insan saç telinin SEM görüntüleri ... 44

Şekil 2.35. Hepa Filtre Yapısı ... 45

Şekil 2.36. Doku Mühendisliği Amacı (Fang ve ark., 2008). ... 46

Şekil 2.37. Çift katmanlı küçük çaplı PU vasküler greftin önce (a) ve sonra (b) hücre kültürlemesindeki kesitsel görüntüleri. (Soletti ve ark, 2010). ... 48

Şekil 2.38. Elektrospun PCL kollajen karışımlı nanofiberlerin Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM). ... 49

Şekil 2.39. Farelerin tedavisinde nanofiberlerin terapötik süreci ... 50

Şekil 2.40. Sıcaklığa duyarlı poly(NIPAAm-co-HMAAm) nanofiberlerin DOX ve manyetik partiküller ile kanserli hücre imhası ... 50

Şekil 2.41. TiO2 nanofiberleri üzerindeki farklı SnO2 morfolojilerinin SEM görüntüleri (a-d) ve Rodamin B'nin (e) SnO2 morfolojisine bağlı fotokatalitik bozunma davranışı. (Wang ve ark., 2009). ... 55

Şekil 2.42. Supramolekül Yapısına Sahip Bazı Yapılar ... 57

Şekil 2.43. Lehn’e göre Moleküler Kimya ve Supramoleküler Kimya Arasındaki Fark 57 Şekil 2.44. Supramoleküler Kimya’nn Çalışma Düzeyi ... 58

Şekil 2.45. Supramoleküler Etkileşimler ... 58

Şekil 2.46. Birer Supramolekül Olan Siklodekstrin, Taç eter ve Kaliksarenin Gösterimi ... 59

Şekil 2.47. Supramleküllerin Konuk-Konak İlişkileri ve Etkileşimleri ... 60

Şekil 2.48. Kaliksarenlerin Genel Yapısı Gösterimi (Yılmaz M., 1999) ... 61

Şekil 2.49. a. Kaliks[4]aren b. Kaliks[6]aren c. Kaliks[8]aren Yapıları ... 61

Şekil 2.50. Kaliksarenlerin Vazo Yapısı ... 62

Şekil 2.51. Kaliks[4]aren, kaliks[6]aren kaliks[8]arenlerin Yapıları ve Numaralandırılması ... 63

x

Şekil 2.52. p-Metilkaliks[4]arenin Çok Basamaklı Sentezi Şeması ... 64

Şekil 2.53. p-tert-butilkaliks[4]arenin Tek Basamaklı Sentezi Şeması (R=tert-butil) ... 65

Şekil 2.54. Kaliks[4]aren konformasyonlarının 1H-NMR spektrumları ... 67

Şekil 2.55. p-tert-butilkaliks[4]arenin konformasyonları ve 1_{H-NMR spektrumları ... 68}

Şekil 2.56. Kaliks[4]arenin Fonksiyonlandırılması ... 69

Şekil 2.57. Kaliksarenlerin Fonksiyonlandırılması ... 70

Şekil 2.58. Ester Türevli Kaliks[4]aren ... 71

Şekil 2.59. Kaliksarenlerin p-konumundan (upper rim) fonksiyonlandırılması ... 72

Şekil 2.60. Fonksiyonlandırılmış Kaliksarenler Üzerinde Enzim Modellerinin Şematik Gösterimi ... 73

Şekil 2.61. CMPO türevi kaliks[6]aren bileşiklerinin sentezi ... 74

Şekil 2.62. Farklı İlaçların Etken Maddelerinin Enantiyomerleri ... 75

Şekil 2.63. Thalidomide Enantiyomerleri ... 75

Şekil 2.64. ISE(iyon seçici elektrod) Çalışmalarında Pb2+ _{İyonuna Karşı Seçicilik} Gösteren Kaliks[4]arenler ... 76

Şekil 2.65. p-ter-bütilkaliks[4]arenin Konuklarla Ekzo ve Endo Şekilde Kompleks Oluşturması ... 77

Şekil 2.66. p-ter-bütilksliks[4]arenin Diamit Türevlerinin Dikromat Anyonu ile Muhtemel Etkileşimleri ... 77

Şekil. 2.67. Aminoasit Yapısı ... 78

Şekil 2.68. Peptid Bağı Oluşumu ... 79

Şekil 2.69. Protein Yapısı ... 79

Şekil 2.70. Protein Adsorpsiyonunun Şematize Hali (Kürkçüoğlu, 2015) ... 80

Şekil.2.71. Deniz Anası ... 82

Şekil. 2.72. GFP ile boyanmış hücre organelleri ... 83

Şekil. 2.73. GFP Yapısı ... 84

Şekil. 2.74. Kaliksaren bileşiklerinin ve poliakrilonitril çözeltilerinin elektrospinning işlemi ... 85

Şekil 2.75. Amid kaliks[8]arenle/PAN kompozit nanofiberlerin Au absorbantı olarak kullanımı ... 86

Şekil. 2.76. Katyonların Seçici adsorpsiyonu İçin Poliakrilonitril (PAN) / Taç Eter Kompozit Nanofiberler ... 86

Şekil.2.77. a)Anilin, b)stiren, c)toluen buharına 3 saat maruz bırakıldıktan sonraki PMMA/CD- 25 elektrospin nanofiberinin SEM görüntüsü. ... 87

xi

Şekil 3.1. p-ter-bütilkaliks[4]aren (1) ... 89

Şekil 3.2. 5,11,17,23-Tetra-ter-bütil-25,26,27-tetrametoksikarbonilmetoksi-28-karboksi metoksi-kaliks[4]aren (2) ... 90

Şekil 3.3. p-ter-bütilkaliks[6]aren (3) ... 91

Şekil 3.4. 5,11,17,23,29,35-Hekza-ter-bütil-37,38,39,40,41,42 hekzametoksi- karbonil metoksikaliks[6]aren (4) ... 92

Şekil 3.5. p-ter-bütilkaliks[8]aren (5) ... 93

Şekil 3.6. 5,11,17,23,29,35,41,47,51-okta-ter-bütil-49,50,51,52,53,54,55,56-oktametoksi-karboksimetoksi kaliks[8]aren (6) ... 93

Şekil 3.7. Kaliksaren Bağlı Nanofiber Sentezi Şematik Gösterimi ... 94

Şekil. 3.8. %10’luk PMMA Nanofiberler ... 95

Şekil. 3.9. %15’lik PAN Nanofiberler ... 95

Şekil 4.1. Kaliks[4]aren ve 2. Kaliks[4]aren Tetra Ester Türevi Şematik Gösterimi ... 99

Şekil.4.2. Hazırlanan nanofiberlerin SEM görüntüleri ... 100

Şekil 4.3. Hazırlanan nanofiberlerin FTIR (ATR) spektrumu. ... 102

Şekil 4.4. Hazırlanan nanofiberlerin FTIR (ATR) spektrumu. ... 102

Şekil 4.5. Kaliksarene içeren ve içermeyen PMMA ve PAN nanofiberlerin TG eğrileri ... 103

Şekil 4.6. PMMA ve CLX4 içeren ve içermeyen PAN nanofiberleri ile GFP ekstraksiyon yüzdeleri (% E). ... 107

Şekil 4.7. Adsorplanmadan önce ve sonra PAN nanofiberlerin mikroskop görüntüleri. ... 108

xii

ÇİZEGELER DİZİNİ

Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Kaliksaren Çeşitleri Moleküler Ağırlık ve MiktarlarıError! Bookmark not defined.

Çizelge 3.2. Belirlenen Aminoasit Çeşitleri ve Pikrik Asit Moleküler Ağırlık ve

Miktarları ... Error! Bookmark not defined. Çizelge 4.1. Kaliks[4]aren Tetra Ester, Kaliks[6]aren Hegza Ester, Kaliks[8]aren Okta Ester Türevlerinin Aminoasit taşıma verimleri... Error! Bookmark not defined. Çizelge 4.2. Kaliks[4]aren Tetra Ester, Kaliks[6]aren Hegza Ester, Kaliks[8]aren Okta Ester Türevlerinin Yeşil Floresan Protein (GFP) Ekstarsiyonu ... Error! Bookmark not defined.

Çizelge 4.3. Kalik[4]saren Tetra Ester Bağlı Nanofiberlere Amioasit Adsorpsiyonu Sonuçları ... Error! Bookmark not defined. Çizelge 4.4. Kaliksaren Bağlı Nanofiberlere Protein (GFP) Adsorpsiyonu Sonuçları ... Error! Bookmark not defined.

1 1. GİRİŞ

İnsanoğlunun geçmişten günümüze doğayı işleyebildiği oranda çağdaşlaştığını ve refah düzeyinin arttığını görmekteyiz. Özellikle yakın tarihimizde bilim ve teknolojilerde hızla kat edilen basamaklar eskiye nazaran akıl almaz bir seviyeye ulaşmıştır. 1800’lerde yaşanan sanayi devrimi, ardından 1900’lerin başında otomotivde yaşanan büyük gelişmelerle otomotiv devrimi, 1950’lerde ise fizikteki kuantum mekaniği kuramlarının ortaya çıkması ile beraber bilimde görülen inanılmaz hızlanmalar, bilişim devrimi diyebileceğimiz derecede önemli yeniliklerdir. Bu gibi gelişmeler oldukça, insanoğlunun malzemeyle olan ilişkisi gittikçe artmış ve malzeme teknolojisinin uluslararası gelişmişliğin temel bir göstergesi haline geldiği gözler önüne serilmiştir. Günümüzde yine devrim niteliğinde olabilecek maddeyi atomik boyutlarda inceleyip işlemek fikri ve uygulamaları, bilim ve teknolojiye yeni bir boyut kazandırmıştır. İşte yeni devrim ve gelecek yüzyılın teknolojisi diye adlandırılan bu gelişmeler dönemi: nanobilim ve nanoteknoloji dönemi olarak adlandırılır.

Nanoteknoloji; özünde yeni özellikler ve işlevlere sahip malzemeler, cihazlar ve sistemler üretebilmek amacıyla maddenin nano ölçekte planlı ve kontrollü işlenmesi, hassas ölçümü, modellenmesi ve üretimidir. Nano ölçekte belli bir işlevi olabilecek yapıların malzemelerini ve kendilerini kontrollü bir şekilde üretebilmek, özelliklerini ve işlevlerini belirleyecek nano ebatlarda aygıt yapabilmek, bu aygıtları günlük hayatımızda kullanılır hale getirmek nanoteknolojinin hedefidir.

Nano ölçekteki yapıların farklılıkları sadece ebatlarının küçüklüğü ile ilgili değil, ayrıca küçük ebatlarda farklı fiziksel özelliklerin ortaya çıkması ile de ilişkilidir. Nano ölçekli yapılar nanomalzame olarak adlandırılan daha kompozit yapıları içerisinde barındırır. Nanofiberler lif çapları 1 mikrondan daha küçük olannanomalzemelerdir. Nanoelyaflar biyomedikal uygulamalarda oldukça fazla tercih edilmektedir. Geniş yüzey alanı, kontrollü gözeneklilik, istenen şekillerde kontrol edilebilen yapı ve mekaniksel özellikler sayesinde bu alanda tercih edilmektedir. Nanoelyaflar sayesinde doğal yapıların taklidi mümkündür. Bu da doğal doku oluşumu olana kadar bu dokuların yerine geçebilecek malzemelerin kullanımına olanak sağlar. Bu sayılan özellikler, nanoelyafları, biyomedikal uygulamaların vazgeçilmezi ve nanoteknolojinin en önemli alanı yapma yolunda ivmelendirmektedir.

2

Bilim ve teknolojilerde öncelikle var olanı anlamak, incelemek ve yorumlamak, daha sonra ihtiyaca göre yeni düzenlemeler ve keşifler yapmak temel bir gerekliliktir. Bu anlamda doğal olarak var olan birçok sistem, eser ve olgu incelenmiş ve mükemmel verilere ulaşılmıştır, hatta ki sadece doğadaki ve canlılardaki incelemeler, birçok teknolojik gelişmenin yol göstericisi olmuştur. Zamanla daha hassas yapılan ölçümler ve uygulamalar sonucunda malzemelerin çok farklı ve değişik sırları ortaya çıkmıştır. Gelişen tekniklerle birlikte atom en ince ayrıntısına kadar incelenmeye çalışılıyor. Atomun yapıtaşları olan proton, elektron derken, şimdi bunların da yapıtaşları üzerinde çalışılıyor. Bunlarla uğraşılırken bir yandan da moleküler düzeye çıkılarak bunun kimyası inceleniyor. Kısacası, kimya zıt iki yönde ilerliyor ve mikroskobunun ayarını küçültüp moleküller arasındaki kimyayı inceleyenler supramoleküler kimyanın temelini atıyor. Supramoleküller, 1987’de bu konudaki çalışmalarından dolayı Nobel Ödülü alan Jean-Marie Lehn’in deyimiyle 'Supramoleküler kimya, moleküller arasındaki ve molekül içindeki etkileşimleri inceleyen bilim dalıdır.' şeklinde tanımlanır. Moleküler kimya molekülleri bir bütün olarak ele alırken, supramoleküler kimya, “moleküler reseptör” ve “substrat” olarak anılan supromoleküler türleri ele alır. Bir reseptör tarafından bir substratın bağlanması supramolekülleri oluşturur ve bağlanma prosesi molekülün yapısını doğrulamayı sağlar. Reseptör molekül, substratlarla kovalent olmayan bağlar yapabilecek yapıya, şekle ve moleküler boyuta sahip olmak zorundadır. En az dokuz üyeli ve minimum üç heteroatomlu halkalı bileşikler makrosiklik bileşik olarak kabul edilmektedir.Makrosiklik bileşiklerin, köprülü yapıda olmaları ve çoğu kez substrat türü yapılar için molekül içi boşluklar içermeleri reseptör olarak kullanılabilmelerini sağlar. Bu makrosiklik bileşikler arasında en fazla ilgi çekenler kaliksarenlerdir. Kaliksarenler, fenol-formaldehit reaksiyonları sonucu elde edilen, hem alt hem de üst kenardan fonksiyonlandırılabilen, siklik yapısı nedeniyle yapısal bir boşluğa sahip olan, konakçı moleküllerle kompleks oluşturabilen taç şeklindeki moleküllerdir. Kaliksarenler günümüzde birçok kullanım alanında yer almakla birlikte supramoleküller kimyada ve nanoteknolojide önemli adımlar atmaya devam etmektedir.

Bütün bu gelişmeler dünyayı yeniden şekillendirebilecek bilimsel ve teknolojik devrim niteliğindedir. Yani yeni dönem, nanobilim ve nanoteknoloji dönemi olarak başlamıştır.

3

2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI

2.1. Nanoteknoloji

“Teknoloji” kelimesi; Technikos; sistematik olarak işlem yapma ve Logia; sanat, bilim kelimelerinden türemiştir. "Nano" ön-eki ise Yunanca ve Latince’den dilimize geçmiş bir sözcüktür ve anlam olarak ‘cüce’ kelimesini ifade eder. Ayrıca kısaltma olarak milyarda bir olarak da kullanılır.

Bilimin, teknolojiyi ifade eden yanı, pratik hayatın gereksinimlerinin karşılanması ya da insanın çevresini denetleme, biçimlendirme ve değiştirme çabalarına yönelik uygulamaları içermesidir. Bilim ve teknoloji kavramları karşılıklı etkileşim içerisindedirler. Bilimdeki gelişme teknolojideki gelişmeyi sağladığı gibi teknolojideki gelişme de bilimdeki gelişmeyi sağlamaktadır. Teknoloji ve bilim insanların gereksinimleri göz önünde bulundurulduğunda ayrılmaz bir bütün olarak görülmektedir. Nanobilim ve nanoteknoloji genel görüşe göre 1-100 nanometre boyutlarındaki maddelerin anlaşılması, kontrol edilmesi ve atomsal seviyede değiştirilip işlevsel hale getirilmesidir. (Şekil 2.1.) Ayrıntılı olarak bahsedecek olursak Nanoteknoloji, Atom ve molekül ölçeğinde özel yöntem ve tekniklerle yapıların, materyallerin ve araçların inşa edilmesini; bu ölçekte ölçme, tahmin etme, izleme ve yapım faaliyetlerinde bulunmayı ve bu ölçeğin bazı temel özelliklerinden yararlanma kabiliyetidir.

4

Nanoteknoloji vizyonunun ortaya çıkışı, 1959 yılında fizikçi Richard Feynman minyatürize edilmiş enstrümanlar ile nanoyapıların ölçülebileceği ve yeni amaçlar doğrultusunda kullanılabileceğinin altını çizdiği, malzeme ve cihazların moleküler boyutlarda üretilmesi ile başarılabilecekler üzerine yapmış olduğu ünlü konuşmasına kadar dayanmaktadır. Feynman 1959 yılında bir konferansta ‘‘There is plenty of room at the bottom’’ (Aşağıda daha çok yer var) başlıklı konuşmasında ilk defa nano boyutlardaki gizeme dikkat çekmiştir. Nanoteknolojinin başlangıcı olarak kabul edilen bu konuşmada nano boyutlarda çalışmaların olabilmesi için, öncelikle nano ölçekte ölçme ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Feynman’ın konuşmasından bazı dikkat çeken hususlar;

▪ 24 ciltlik Britannica ansiklopedisi bir toplu iğne başına yazılabilir ▪ Küçük ölçeklerde motorlar

▪ Biyolojik yapılardakine benzer üstün özellikli yapı ve sistemler ▪ Atomlara hükmetme, onları yeniden düzenleme

Taniguchi tarafından 1974’de yayınlanan bir makalede Nanoteknoloji terimi ‘’Genel olarak malzemelerin atom ya da molekül işlenmesi, ayrılması birleştirilmesi ve bozulmasıdır.’’ şeklinde nitelenmiştir. (Taniguchi, 1974)

20. yüzyılda Richard Smalley ve Sumio Lijima Fullerene ve karbon nanotüp üreterek nanometre ölçülerinde bilime yönelmişlerdir. Kaliforniya’da bulunan Foresight Enstitüsü başkanı Dr. Eric Drexler, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki (MIT) eğitimi sırasında, biyolojik sistemlerden esinlenerek molekülsel makineler yapılabileceği anlayışını benimseyerek ‘Nanoteknoloji’ kelimesini ilk kez ortaya çıkarmıştır.

1997’de N. Seeman ilk kez DNA molekülünü kullanarak nanomekanik aygıt yaptı ve aynı yıl içinde Rice Üniversitesinde (ABD) Nanoteknoloji laboratuarı kuruldu.

1999 yılında ABD’de Bill Clinton hükümeti tarafından nanoteknoloji alanında yürütülen araştırma, geliştirme ve ticarileştirme faaliyetlerinin hızını artırma amacını taşıyan ilk resmi hükümet programı, Ulusal Nanoteknoloji Adımı (National Nanotechnology Initiative) başlatıldı. 2001 yılında Avrupa Birliği, Nanoteknoloji çalışmalarını öncelikli alan olarak bildirdi. Japonya, Tayvan, Singapur, Çin, İsrail ve İsviçre 21. yüzyılın ilk küresel teknoloji yarışında önlerde yer almak için çalışmalarına hız verdi. 2002’ de Süperörgü nanoteller yapıldı. 2005’de dört tekerlekli nano araba modeli hareket ettirildi. (Şekil.2.2.)

5 Şekil 2.2. Motorize Bir Nano Araba

‘Nanoteknoloji maddeyi atomik ve moleküler seviyede kontrol etme bilimidir. Nanometrenin tanımı ise bir milyonuncu milimetre (10–9 m) olduğu kabul edilmektedir.’ şeklindeki yorumuyla Fleischer 2002’de nanoteknolojiyi tam olarak tanımlamıştır. Ardından Meyer 2006’da ‘Nanoteknolojinin yeni ürünler geliştirmek ya da mevcut uygulamalarda yeni işlevler ve özellikler kazandırması beklenmektedir.’ sözünü içeren çalışmasında nanoteknolojinin umut vaad edici çalışmalar bütünü olduğunu vurgulamıştır. Aynı şekilde 2007’de Bozeman ve arkadaşları nanoteknolojinin istihdam ve ekonomik büyümeye önemli ölçüde katkı sağlayacağına inanmışlardır.

Bu çalışmaların ardından nanoteknoloji alanında ilerlemeler hızla artmış, bilim insanları çalışmalarında Nanoteknoloji’nin geleceğinin aydınlık olduğu hakkında yorumlarda bulunmuşlardır. (Şekil.2.3.)

6

Bilimde elde edilen gelişmeler ve varılan sonuçlar nanometre boyutlarında malzemelerin disiplinli bir şekilde kullanıldığında teknolojiye ne kadar büyük olanaklar kazandırabileceğini göstermiştir.

Şimdi nanoteknoloji, bilgisayar devrimini izleyen ve 21. yüzyıla damgasını vuracak bir teknoloji devrimi olarak değerlendirilmektedir (Çıracı, 2007)

Günümüzde nanoteknolojinin geldiği konumu yansıtan aşağıdaki tabloyu incelediğimizde ülkemiz son 30 yılda bilimsel yayın çıktısındaki artış dünya ortalamasının 8 kat üzerindedir. (Şekil 2.4.)

Şekil 2.4. Nanoteknoloji ile dünyadaki bilimsel yayın yüzdeleri

Nanoteknolojinin bazı önemli özellikleri şöyledir ;

- Nanoteknoloji, olanaklar teknolojisidir. Daha önce uygulanabilir olmayan yeni ürün sınıflarının geliştirilmesi olanağının ufkunu açar ve tüm endüstriyel alanlarda yeni ürünler ve prosesler geliştirilmesine olanak sağlar.

- Nanoteknoloji, geleneksel olanı bozar. Nanoteknoloji sayesinde, var olan ürün ve proseslerden radikal olarak farklı olan ürün ve prosesler ortaya çıkmaktadır.

- Nanoteknoloji çok disiplinlidir. Nanoteknoloji tekdüze bir teknoloji platformu değil, çeşitli teknolojik ve bilimsel disiplinlerden oluşan geniş bir kavramlar toplamıdır. - Nanoteknoloji evrenseldir.

Nano yalnızca bir ölçü derecesi olduğundan nanoteknolojinin malzeme üretiminden başlayarak, elektronik, manyetik, optik, mekanik, ve biyomedikal amaçlı işlemler gibi birçok disiplini de kapsayan geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bugün kullanılan

7

biyomühendislik malzemelerinin çoğunluğunun özellikleri mikrometreden büyük boyuttaki içyapılarından kaynaklanmaktadır. Nano malzemeler ise, üstün özelliklerini, mikrometreden 10 ile birkaç yüz kat üretmeyi, bu malzemelerden yeni yöntemlerle aygıt, alet üretmeyi amaçlar. Bu bağlamda nanoteknolojide kullanılan yöntemler, bilinen yöntemlerden çok farklı olabiliyor.

Nano ölçeğin önemli olmasının sebepleri aşağıda maddeler halinde verilmiştir ;

▪ Madde içerisindeki elektronların dalgalanma özellikleri nanometre ölçeğindeki değişmelerden etkilenir.

▪ Biyolojik sistemler, örneğin DNA nanometre ölçeğinde düzenlenebilirse veya yapay bileşenler DNA’ya yerleştirilebilirse, yeni tür oluşturulabilir.

▪ Kimyasal bileşimi değiştirmeksizin, nanometre uzunluk ölçeğinde maddenin; erime sıcaklığı, mıknatıslanma, şarj kapasitesi vb. temel özelliklerini değiştirmek mümkündür.

▪ Nano ölçekte, yüzey gerilimi ve lokal elektromanyetik etkiler nano yapılı malzemeleri daha sert ve daha az kırılgan yapmada daha önemli hale gelir.

▪ Nano ölçekli bileşenler çok yüksek yüzey alanına sahiptirler, bu da onları; kompozit malzemeler, çekirdek reaktörleri, ilaç dağıtımı ve enerji depolamada kullanmak için ideal yapar.

▪ Çeşitli dış dalga olaylarının dalga boyu ölçeğindeki etkileşimi malzemelerin öz boyutları için kıyaslanabilir hale gelir, malzemeleri çeşitli optoelektronik uygulamalar için uygun yapar.

Nanoteknoloji, maddenin atomik-moleküler boyutta mühendisliğinin yapılarak yepyeni özelliklerinin açığa çıkarılması; nanometre ölçeğindeki fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması, kontrolü ve üretimi amacıyla, fonksiyonel materyallerin, cihazların ve sistemlerin geliştirilmesidir. Bir başka ifade ile çeşitli araçların, malzemelerin ve yapıların moleküler düzeyde işlenmesi, oluşturulması ve manipüle edilmesi olarak tanımlanmaktadır. Bir başka tanımlamaya göre ise nanoteknoloji; nanometre ölçekli yapıların analizi, imalatı ve nano hassasiyette cihazların geliştirilmesi olarak özetlenebilir. Diğer bir tanımlamaya göre nanoteknoloji; en az bir boyutu nanometre ölçeğinde olan materyal ve aletlerin tasarımı, sentezi, karakterize edilmesi ve uygulamasıyla ilgili mühendislik ve bilim dalıdır. (Kut ve Güneşoğlu, 2005). Nanoteknoloji; klasik mekanik ve kuantum mekaniği arasında açıkça anlaşılmayan bir konuda uygulama yapan bir teknoloji olarak da tanımlanabilmektedir. Nanoteknolojide,

8

kısmen doğa taklit edilmeye ve eş yalar atomlardan başlayarak inşa edilmeye çalışılır. Bu nedenle şimdi, savurgan ve büyük miktarda kirliliğin eş lik ettiği geleneksel seri endüstriden nanoteknoloji olarak adlandırılan atomik ölçek endüstriye hareket edilmiştir. Nanoteknoloji; oldukça ucuz, oldukça güvenilir, oldukça temiz ve finansal karşılığı oldukça yüksek olduğu için önemlidir.

Nanoteknolojinin avantajlarını sıralarsak;

Bir ölçek olan nanometre, yaklaşık olarak yan yana gelen 3-4 atomdan meydana gelir ve yine yaklaşık 100-1000 tane atom bir araya gelerek nano ölçeklerde bir nesneyi oluşturur. Atomlar ve moleküler seviyesinde (1 ila 100 nanometre (nm) skalasında) çalışarak, gelişmiş ve/veya tamamen yeni fiziksel, kimyasal, biyolojik özelliklere sahip yapılar elde edilmesine imkân sağlamasıyla nanoteknolojik süreçler elde edilir. Nanoteknoloji teorikte her atomu tam istenilen yere yerleştirme imkânı sağlar. (Şekil.2.5.)

Şekil 2.5. Bir yüzey üzerine atomların teker teker dizilerek Atom Adam’ın yapılması

Nanoteknoloji asıl olarak daha sağlam, daha kaliteli, daha uzun ömürlü, daha ucuz, daha hafif, daha küçük cihazlar geliştirme amacı gütmüştür. Minyatürüzasyon olarak tanımlanabilecek bu amaç çoğu mühendislik çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Çünkü bu çalışmada daha az malzeme, daha az enerji, daha ucuz ve kolay nakliye, daha çok fonksiyon ve kullanımda kolaylık olarak uygulamada de kendini göstermektedir. Nanoteknoloji sayesinde sanayide, bilişim teknolojilerinde, sağlık sektöründe ve daha birçok alanda yeni ürünler geliştirilmiştir ve geliştirilecektir. (Şekil 2.6.)

9 Şekil 2.6. Nanoteknoloji Yeni Ürün Yelpazesi

Nanoteknolojinin avantajları olduğu gibi birkaç dezavantajı da vardır. ;

Nanoteknoloji kendini tekrar eden sistemlerden oluştuğu için doğal çevrede ve kontrolsüz ortamda kendisini tekrarlamaması için mutlaka dışarıdan enerji ihtiyacı temin edilmelidir. Üretimde tek tek atomların dizilmesi uzun zaman almaktadır. Bu nedenle fizibil üretim mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Atomik boyutta yapışma, sürtünme ve aşınma, termal titreşimler, cihazın rijitliği, pozisyon bulma ve kontrol mekanizmaları, kuantum etkisi gibi nedenler bazı olumsuzluklara neden olmaktadır.

Nanobilim ve nanoteknolojinin odak noktaları, kuantum etkileri gibi temel fizik araştırması içeren konuların yanında, atomik boyutlarda görüntülemede deneysel yöntemlerin geliştirilmesi, Angstrom altı (10-10 metreden küçük) boyutlarda ölçüm yapabilme teknikleri, düşük boyutlarda eş tip malzeme üretebilme, malzeme yapısını atomik boyutlarda kontrol edebilme, kızı lötesi ve morötesi radyasyonlara karşı tepkisi kontrol edilebilir malzeme ve özel amaca yönelik aygıt geliştirme yöntemleridir.

Nanoteknolojide temel olarak iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlar ;

 Yukarıdan aşağıya (top down) yöntemi: Mikro elektroniğin var olan metotlarının nanoteknolojiye uyarlanmış hali biçiminde ifade edilebilecek bu yöntemde küçük özelliklere ulaşmak için daha büyük malzemelerden başlanır (örneğin yarı iletkenler).

10

Ağırlıklı olarak litografik yöntemler kullanılır. Oyma ve işleme yöntemi ile nano yapılar ve şekiller elde edilir.

 Aşağıdan yukarıya (bottom-up) yöntemi: Bu yöntemin özü biyolojiden alınmıştır. Nanobilim, fiziksel bir bilim olarak düşünülür ancak hücre biyolojisi de nano ölçekte çalışmaktadır. Nano ölçekteki aletler yaşayan hücrelerin fonksiyonlarını taşımaktadırlar. Bottum-up yönteminin esası atomlar veya moleküller ile organik veya inorganik yapı inşa etmeye dayanır. Nano yapıları birleştirmek için doğadaki kuvvetlerden yararlanılır. Örneğin DNA gibi biyolojik sistemlerin kendi kendine birleşme özelliğinden yararlanılarak karbon nanotüplerin kontrolü sağlanabilir. Kolloid ve sol-jel yöntemleri de bu yönteme dahildir.

2.1.1. Nanoteknolojinin Uygulama Alanları

Doğada kendiliğinden var olan nanoteknoloji uygulamaları, bilim adamlarının yoğun çalışmaları kapsamında başta nanomalzemeler, nanoelektronik ve nanobiyoteknoloji olmak üzere birçok alanda kendini göstermeye başlamıştır. Nanoteknoknolojinin etkisini gösterdiği ve göstereceği potansiyel araştırma ve uygulama alanları; Nanomalzemeler, Elektronik ve Bilişim Teknolojileri, Sağlık ve İlaç, Enerji ve Çevre, Ulaşım, İnşaat, Gıda ve Tarım, Tekstil, Havacılık ve Uzay ile Savunma sektörleri olmak üzere toplam 10 alanda incelenmiştir.

a. Nanoelektronik ve Bilgisayar Teknolojisi

Nanoölçekte bilgi depolama elemanları ayrı bir önem kazanmaktadır. Nanoölçekte elektronik devre elemanları daha az enerji ile işlevlerini yerine getirebilmektedir. Bu yüzdendir ki nanoteknoloji ürünü bilgisayarların eski teknolojisiyle üretilen bilgisayarlara kıyasla ebat olarak daha küçük hız ve kapasite olak çok daha büyük kullandığı enerji bakımından çok daha ekonomik olmaktadırlar. Bu alandaki gelişmeler bilişim teknolojilerinin gelişmesini de sağlamış olacaktır. Bilişim teknolojilerinde nanoteknoloji uygulamalarının hedefi, ekonomik ve yüksek performansa sahip malzemeler ve cihazlar üretmektir. Nanoteknolojik çalışmalar, elektronik alanında en çok bilgisayar çiplerinde, bataryalarda kendisini göstermektedir. Nanoelektronikler günlük yaşamı etkileyecek önemli gelişmelerle kendini göstermeye başlamıştır. Nanoelektroniğin önemli bir bileşeni olan OLED teknolojisi, daha hafif cihazlar içerisinde düşük enerji kullanan ve geniş bir görüş açısına sahip, daha fazla aydınlık sağlayan teknoloji olarak insanlığa sunulur. OLED teknolojisi, mevcut dizüstü bilgisayarlarda, cep telefonlarında, otomobil gösterge

11

panellerinde, GPS sistemlerinde ve dijital kameralarda kullanılmaya devam edilmektedir. Nanoelektronik aygıtları, yapay organik bileşenler kullanarak kimyasal yöntemlerle akıllı dönüştürücü olarak görev almaktadırlar ve eski silikon teknolojilerinde var olan aygıtlardan çok daha küçüktürler. Nanoölçekte elektronik devre elemanlarının üretilmesiyle bilgisayar mimari tasarımında yeni gelişmeler olmuştur. Devre elemanların üretimi ve birbirleri ile uyumlu çalışacak şekilde birleştirilme işlemleri elektronik devrelerin, nanoelektronik kullanılarak daha az enerji ile işlevlerini yerine getirebilmelerini sağlamaktadır. Optoelektonikler, optik tabanlı algılama sistemleri veya bilgisayarlar için elektrik enerjisini optik enerjiye veya optik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlar olarak tanımlanmaktadırlar. Kuantum bilgisayar ve kuantum kriptoloji, optoelektronikteki gelişmelerden büyük oranda faydalanacaktır. Kuantum bilgisayarlardaki gelişmeler, günümüzdeki bilgisayarlarla çözülemeyen veya çözümü çok zor olan karmaşık problemlere çözüm sağlayabilecektir.

Bir diğer araştırma alanı DNA’yı bilgi depolama ve karmaşık hesaplamalar yapmak için kullanacak nanobilgisayarların geliştirilmesidir. Bu bilgisayarların karmaşık problemlerin çözümünde kullanılmasındaki en büyük avantaj, problemleri bir bir çözmek yerine tüm problemlerin aynı anda çözülmesine olanak sağlaması olacaktır. DNA bilgisayarı, 10 terabayt veri kapsayabilecek ve aynı anda 10 kentilyon işlem süreci yaratabilecek kabiliyete sahip olacaktır.

b. Havacılık ve Uzay Teknolojisi

Havacılık ve uzay yolculuklarında alınan yakıtlar hem ağırlık hem de hacim bakımından günümüz teknolojileri ile sınırlı miktarda alınabilmektedir. Nano teknoloji ürünü malzemeler ve aygıtların kullanılması bu alandaki zorluklara da çözüm getirecektir. Nanomalzemeler sıcaklığa karşı daha dayanıklı, daha hafif ve daha sağlam olmaları sebebiyle roket, uzay istasyonu ve uçak yapımında önem arzetmektedir. Daha az enerji gerektiren, radyasyona karşı dayanıklı, yüksek verimle çalışabilecek olan bilgisayarların yapımında, mikroölçekli uzay araçlarında kullanılabilecek nanoölçekte aletlerde, nanoyapılı algılayıcılarda nanoteknolojinin kullanımı uzay teknolojisinde ilerlemelerin artmasına sebep olacaktır.

NASA uzay ve havacılık alanında önemli araştırmalara ev sahipliği yapmaktadır. Öyle ki nanoteknolojinin getireceği avantajları iyi bir şekilde değerlendirmek ve kullanmak üzere

12

karbon nanotüpler, moleküler elektronik, inorganik nanokablolar, nanoyapılı malzemeler ve protein nanotüpler konusunda ARGE çalışmaları başlatmıştır.

NASA uzay ve havacılık konusu altında AR-GE şu çalışmalar üzerine yoğunlaşmıştır; ▪ Sensör, görüntüleme ve cihazlar için karbon nanotüplerin geliştirilmesi ve kontrolü, ▪ Astrobiyoloji, biyomedikal ve güvenlik ihtiyaçları için biosensörlerin geliştirilmesi, ▪ Karbon nanotüp tabanlı mikroskop ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme cihazları, ▪ İnorganik nanokabloların gelişimi ve karakterizasyonu,

▪ Bilgisayar, hafıza ve sensörlerin entegrasyonu, ▪ Nano-biyoteknoloji

c. Sağlık ve İlaç Teknolojisi

Canlıların yapıtaşı olan hücreler nano ölçekteki moleküllerden oluşur. Hücreler, nano ölçekli çalışmalar için ilham kaynağı olmuştur. Dolayısıyla bu konudaki anlayışımızı ilerletmek için canlıları ayrıntılı incelememiz kaçınılmazdır. Hayatın yapıtaşları proteinler, nükleik asitler, lipitler, karbonhidratlar, ebatları ile kıvrımları ile dizilişleri ile belirli özellikleri olan nanoölçekteki malzemelerdir. Bugün gen çalışmalarındaki zorluklar nano ölçekli aygıtlar ile çözülmeye çalışılmaktadır. Bu tür gelişmeler hem teşhiste hem de tedavide yeni yöntemlerin geliştirilmesini sağlayacaktır. Nanoteknolojinin bu şekilde hastalıkların tespiti, teşhisi ve tedavisi gibi süreçlerde kullanılması, bu dönemlerde karşımıza çıkan en büyük yeniliklerden birisidir. Moleküler ve hücresel boyuttaki mekanizmalardaki tüm hastalıklar, nano ölçekdeki aygıtlar tarafından çok daha iyi bir şekilde kontrol edilebilir ve bu aygıtlar geliştirilerek çok daha ayrıntılı problemlerin çözülmesi sağlanabilecektir. Nanobilimin tıp alanındaki araştırmalarının temel amacı, bireysel molekül seviyesinde biyofizik ve biyokimyanın işleyişini gösteren detaylı bir anlayış elde etmektir. Nanotıp bu anlayışı sağlamak için proteinler, DNA ve diğer bio-polimerlerin nanoelektronik ve biosensör uygulamalarında kullanır. Nanoteknolji tıp alanında birçok alt başlık altında araştırmalarını sürdürmektedir. Hastalıkların tanısı ve tanısı yapılan hastalıklara doğru tedavinin uygulanması ve doğru ilacın sevki, ameliyatlarda doğru şekilde müdahale, probleme daha akılcı yollarla odaklanma ve doğru çözümler üretebilme önemli alt başlıklardır. Bu kapsamda, nanoölçek seviyesinde yapılmış sensörler tanının doğru ve zamanında yapılabilmesine imkan sağlayacaktır. Nanoteknoojiye yönelen tıp alanı, hastalık teşhisi, ilaç dağıtımı ve moleküler görüntüleme gibi alanlarda da yoğun araştırmalar yapmaktadır.

13

Nanoteknolojinin tıp alanına getirdiği yenilikler doğada var olan yapılarda kendisini göstermektedir. İnsanoğlunun bildiği en karmaşık ve oldukça yüksek fonksiyona sahip nanoölçekli cihazlar, biyolojik sistemleri düzenleyen ve kontrol eden, doğal olarak ortaya çıkan moleküler düzenleyicilerdir. Tek başına proteinler bunlara örnek olarak verilebilir. Proteinler, belirli fonksiyonlara sahip, bilgi ve moleküler taşıma süreçlerine ve tüm biyolojik algılamalara katılan moleküler yapılardır.Bu anlamda, aslında moleküler dünya birçok nanoölçekli cihazları ve makinaların işlevlerini içerisinde barındırır. Tıp alanında kullanılan nanotüpler, nanokablolar, biosensörler gibi nanocihazlar, moleküllerin, proteinlerin ve DNA’nın faaliyetlerini de tespit etmek amacıyla kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Hastalığın tanısının konulmasından sonraki tedavi sürecinde ilacın hasta vücuduna doğru şekilde verilmesi ve uygulanması çok önemlidir. Günümüzde kullanılan ilaçların kullanım prosedüründe mutlaka yan etkileri belirtilmektedir. Bu yan etkilerin ortadan kaldırılması, nanoteknoloji ile geliştirilecek akıllı ilaçlar sayesinde mümkün olabilecektir. İlaç endüstrisinde geliştirilmesi gereken en önemli hususlardan birinin çözünebilir ilaçların geliştirilmesinin olduğunu belirtmişlerdir. Geleneksel tekniklerde bu çözünürlük limitli bir şekilde sağlanmaktadır. Nanosüspansiyon ile ilaçların suda çözünebilirlikleri ve verimliliklerinin artırılması hedeflenmiştir. Kanser hastalığı üzerine yapılan uzun araştırmalar sonucu, klasik kanser tedavisinde uygulanan kemoterapi, ışınlama ve ameliyat süreçleri, hasta hücrenin yanında sağlam hücrenin de zarar görmesine sebep olmaktadır. Bu kapsamda nanoteknolojik tedavi yöntemleri bu tür olumsuz yanı da bulunan tedavilerdeki riski en aza indirmeye çalışmaktadır. Hastalıklı hücrelerin tespiti ile birlikte tedavi sürecinde, hedefe yönelik olarak üretilen ilaçlar, kanserli hücrelere gönderilerek sadece o hücrelerin yok edilmesi sağlanacaktır.

14

Şekil 2.7. Nano yapı ile ilaçların hücre içerisine alınması

Nanoteknoloji alanında elde edilen veriler doğrultusunda hücre içerisine nanopartiküllerin aktarılması sırasında yapılan işlemler şu şekilde sıralanmaktadır ; (Şekil 2.7.)

1. Biyo-uyumlu olan bir nanopartikül içerisine ilaç enjekte edilir.

2. Biyo-uyumlu zar yapısına sahip olan nanopartikül hedef hücre tarafından kabul görür ve etkileşim gerçekleşmeye başlar.

3. Hücre tarafından emilen ilaç ortamdaki biyomoleküllerle etkileşime geçer. 4. En son olarak hücre içerisindeki nanopartiküller parçalanır ve ilaç serbest kalır. 5. Böylece hastalığın tedavi edilmesi işlemi başlamış olur.

Kanser tedavisinde başarı sağlamanın temel yolu, verilen ilaçların mümkün olduğunca kanser hücrelerine yönelmesi ve sağlıklı dokuları etkilemesinin önlenmesi veya sınırlansırılmasıdır. Bu durum başarıldığında, hastanın yaşam süresinde ve kalitesinde de belirgin iyileşme sağlanacaktır. Nano onkoloji alanında yapılan araştırmalarla, hedefe yönelik ilaç dağıtımı konusunda önemli başarılar sağlanmıştır. Hedefe ulaştırma yoluyla

15

ilaçlar uygulandığında kanser hücrelerinin içindeki ilaç konsantrasyonları artırılabilmekte, sağlıklı hücrelerdeki toksik etki ise en aza indirilebilmektedir. Nanoteknoloji hastalık tanı ve tedavi alanında birer hayal ürünü olarak varsayılan birçok nanomalzemeyi gerçeğe dönüştürmüştür ve dönüştürecektir. Kan damarlarımızda dolaşan nanorobotların tanı ve tedavide kullanılıyor olması nanoteknolojinin sınır tanımayacağının bir göstergesi olacaktır. (Şekil 2.8.)

Şekil 2.8. Damar içerisinde dolanan ve hücreler ile birebir temasta bulunan nanoteknolojik enjektör

İlacın istenilen yere ulaşamaması problemine ilk çözüm getiren Nottingham Üniversitesi’nden Bob Davis, nanoküreler içine hapsettiği ilaçları hedef dokuya ulaştırmıştır. Daha önceden damara enjekte edildiğinde karaciğer ya da dalakta parçalanan, deri altına enjekte edildiğinde ise makrofajlar tarafından inhibe edilen nanoküreler, Davis’in geliştirdiği yöntemle hedef dokuya ulaşabilmeyi başarmıştır. Bu yöntemle Davis, küreleri biyo uyumlu polimerlerle kaplayarak bağışıklık sisteminden sakınarak hedef hücre ulaşımı sağlamış. Buna da nanoküreler adı verilmiştir.

Nanoteknolojik tıp çalışmalarının yarar sağlayacağı konulardan birisi de hasarlı dokunun değişimi sürecidir. Sağlam, dirençli ve uzun ömürlü nanomalzemeler ile insan yapısına benzeyen suni dokuların üretilmesi mümkün olabilecektir. 2015 yılı verilerine göre Türkiye’de 1.313.359 kaza meydana gelmiş bu kazaların yaklaşık 310.000 ini ağır yaralı olarak hastanelere kaldırılmıştır. Bu sayı yaklaşık olarak bir orana vurulursa Türkiye’de her dört kazadan bir tanesi ağır yaralanmalarla sonuçlanmaktadır. Bu yaralanmalarda doku kaybının olduğu çok açıktır. Nanoteknoloji bu tür vakalarda doku değişimi yaparak hastanın iyileşme süresini kısaltmayı hedeflemektedir. Doku mühendisliği gelecekte,

16

günümüzün geleneksel tedavilerinin yerini alacaktır. Bununla birlikte yapay organ ve dokuların üretilmesi çalışmaları, insan kök hücreleri üzerine olan çalışmalar nanoteknolojinin, günümüzde de çözüm üretilmeye çalışılan konularıdır.

Harvard Üniversitesi’nden Prof. Charles Lieber, kötü huylu hücrelerle bağlantılı proteinlerin eser miktardaki izlerini saptayarak, prostat kanserinin yayıldığı yeri işaretleyen silikondan bir nanokablo yapmıştır. Bahsedilen nano kablo, 10 nanometre eninde, 1000 nanometre boyunda ve Prostat Spesifik Antijeni’ne (PSA) bağlanan antikorla kaplanmıştır. PSA, prostat kanserinin bir göstergesidir. Kanda PSA varsa kablodaki antikorlara bağlanacak, bu da kablonun iletkenliğini değiştirecek ve hastalık tanısı koyan bir sinyal yollayacaktır. Geliştirilen nanokablo, geleneksel testlerde belirlenen miktarın dörtte biri kadar PSA düzeylerini saptayabilmekte ve derhal sonuç vermektedir. Şimdiden bir prototip geliştiren Lieber’in ekibi, az sayıda bakteri hatta virüsü ortaya çıkaran nano kablolar üstünde çalışmaktadır. Antikorlar, virüslerde bulunan proteinlere, bakteri ya da patojenlere karşı üretildiklerinden, nano kablolar her çeşit kanser türünü ve şarbon gibi biyolojik silahları saptayabilirler (Kut ve Güneşoğlu, 2005). d. Çevre ve Enerji Teknolojisi

Nanoteknolojinin enerjinin verimli kullanılmasında, depolanmasında ve üretilmesinde önemli etkileri vardır. Ucuz, güvenli ve yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olmak, dünya çapında tüm ülkelerin hedeflediği en önemli husustur. Nanoenerji, gelişmiş performans, etkin kullanım, tasarruf ve güvenlik sunan uygulamalı teknolojiler tarafından bu kaynakların elde edilmesine yönelik katkılar sağlamıştır. Günümüzde gelişmiş ve gelişmekte olan endüstrileşmiş toplumlar aydınlatma, ısıtma, soğutma, ulaşım gibi ihtiyaçları kapsamında enerjiyi fazlasıyla tüketir ve ileriki yıllarda artan nüfusla birlikte bunun fazlasına ihtiyaç duyacaktır. Tren, uçak gibi ulaşım araçlarının yakıtları daha düşük maliyetli ve daha fazla enerji ihtiyacını karşılamaya yönelik yapılmaktadır. Otomobil endüstrisinde kullanılan nanoteknoloji ürünü malzemelerden yapılmış daha hafif otomobiller daha az yakıt harcayacağı için çevreyi daha az kirletecek, ayrıca daha da ekonomik boyutlardaki üretimi yapılmaktadır. Otomobil tekerleklerindeki lastiklerde siyah karbon yerine nanoteknoloji ürünü inorganik kil ve polimer kullanılması çevre dostu lastiklerin yapımında nanorobotların ve akıllı sistemlerin nükleer atıkların kontrolünde ve filtrelenmesinde kullanılması çalışmaları yapılmaktadır.

17

Nanoteknolojide temiz enerji olarak kabul edilen hidrojen enerjisi üzerine çalışmalara yoğunlaşılmıştır. Hidrojen gazının üretilmesi, depolanması ve gazın depoya doldurulması ve depodan geri çekilmesi aşamalarında nanokompozitler kullanılmaktadır. Bu nano-bileşik, esnek bir malzeme olup, okside olmayan sıradan bir sıcaklıkta, hidrojen emici ve serbestleşme yeteneğine sahiptir. Aynı zamanda kapasitif bir özelliği vardır. Bu kapasite hidrojen depolama, hidrojen piller ve hidrojen yakıt hücreleri için daha iyi bir tasarımdır. Bu çalışmayla birlikte bilim adamları ilk kez nano – ölçekli doğadaki kinetik ve termodinamik engellerin üstesinden gelen başarılı bir kompozit malzeme dizayn etmişlerdir. Nanoenerji, güneş, jeotermal ve hidrojen gücünün etkinliğini artıracaktır. Nanoenerji, dünyanın petrol tabanlı enerjiye olan bağımlılığını azaltacak temiz, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji dönüşümünü hızlandıracaktır. Bu bağlamda; tüm dünyanın enerji ihtiyacını karşılayabilecek şekilde yeterli enerji sağlanması için nanoteknoloji, güneş pilleri alanında güç dönüşümünü geliştirilmek üzeredir. Nanoteknoloji ile güneş pilleri, güneş enerjisini daha iyi absorbe eden kuantum noktaların nanoyapılı yüzeylerinden yapılarak geliştirilecektir. Termoelektrik, insan vücut ısısının elektrik enerjisine dönüştürülmesi konusunda nanoteknoloji tabanlı çalışmalar yürütmektedir. Bu sayede GPS gibi tüm şarj edilebilir cihazlar vücut ısısı ile şarj edilebilecektir. Nanoteknoloji ile yapılacak küçük nanorobotlar sayesinde ise petrol yatakları hassas bir şekilde tespit edilebilecektir. Tüm bu uygulamalar nanoteknolojinin enerji elde etmeye yönelik sağlayacağı avantajlar arasında yer almaktadır.

e. Gıda, Tarım ve Biyoteknoloji Uygulamaları

Nanofood; toprağı işleme, üretme, imal etme ve paketleme süresince nanoteknolojik teknikler veya cihazlar kullanılarak türetilen besinler olarak tanımlanır. Bu sektörde karşılaşılan en yaygın sorunlardan biri, yiyeceklerin tüketiciye ulaşmasına kadar tazeliğini ve kalitesini kaybetmesidir. Bakteri ve virus bulunduran yiyeceklere sıklıkla rastlamak mümkündür. Nanoteknoloji, gıda ile birlikte paketlenebilen akıllı biyosensörlerin tasarlanmasında önemli rol oynayabilir (Kumari ve Yadav, 2014). Bu sensörler, renk değiştiren indikatörlerle müşteriye gıdaların tazeliği hakkında bilgi verebileceklerdir.

Gıda endüstrisinde yaşanan önemli bir problem de gıda paketlenmesinde ortaya çıkan sorunlardır. Nanoteknolojik yöntemlerle dizayn edilen etkili akıllı paketleme materyalleri ile yiyeceklerin tazeliği ve kalitesinin devamlılığı sağlanabilir. Özellikle peynir ve et gibi gıda ürünlerinde meydana gelen oksidasyon sorunu gıdanın daha çabuk bozulmasına

18

sebep olmaktadır. Polyamid-6 ve ethylene vinyl alcohol gıda ambalajı için kullanılabilir. Polyamid az hassas, ethylene vinyl alcohol ise fazlasıyla hassas gıdalar için uygundur. Bazı polimer araştırmacıları, “hybrid system” diye bilinen çapı büyük silikat nanopartiküllerle zenginleştirilmiş olan yeni bir nanokompozit plastik geliştirdiler. Bu hybrid systemler ile klasik ambalaj malzemelerine göre oksijen geçirgenliği % 40 azaltılmıştır.

Gıdalara istenilen rengi ve lezzeti korumaları için kapsüller eklenmektedir. Nanoenkapsülasyon, jelaston ve kontrollü salım gibi konular için süt proteinleri kullanılarak (self-assembly yöntemi ile) mikrometre uzunluğunda nano ölçekte hollov tüpler hazırlanmıştır.

Mekanik dayanıklılığı ve sıcaklığa direnci artırmak, ultraviyole ışığı ve bozulmayı engellemek için gıda paketlerine antibakteriyel/antifungal nanokompozitler veya nanopartiküller (gümüş, titanyom dioksid, silikon dioksid gibi) eklenmektedir.

Proteinle kaplı nanopartiküller spesifik bir frekansta titreşirler. Nanopartiküllerin bu özelliğinden faydalanarak kentlivır bazlı silikon nanopartiküller, sensörler olarak bakterilerin ve mantarların saptanmasında kullanılmaktadır. Kontaminant sensörün üzerine geldiğinde sensörün kütlesi değişir, bu da kentlivırın farklı frekanslarda titreşmesine neden olur ve kontaminantın varlığı belirlenmiş olur.

Et, et ürünlerinin ve özellikle deniz ürünlerinin paketleme sonrası bozulma riskleri oldukça fazladır. Ürünün bozulup bozulmadığını zamanında anlaşılamsı için bilim insanları çalışmalar yürütmektedirler. Çin’de Fotokimya'nın Anahtar Laboratuvarı’na bağlı bir grup araştırmacı ürettikleri kiral nanotüpleri ete monte ederek etde bozunma işareti olan amonyak ve biyojenik aminleri tespit edebilmektedirler. Böylelikle etin bozunma zamanı kullanıcılar tarafından rahatlıkla tespit edilebilecektir. (Hu ve ark., 2016)

Su, hayatımızı idame ettirmek için bize son derece gerekli olan bir kaynaktır. Ancak her geçen gün saatte on beş bin kişinin doğup, altı bin kişinin öldüğü dünyada, artan nüfus diğer kaynaklar gibi suyun da hızla kirlenmesine neden olmaktadır. Genel nüfus günlük yeme içme alımı yoluyla uranyuma (234U, 235U ve 238U) ve polonyuma (210Po) kronik olarak maruz kalmaktadır. Günlük kullanımda tüketilen sularda az da olsa bu elementlere rastlamak mümkündür. Bu doğal olarak oluşan radyonüklidlerin içme suyunda ölçülmesi sağlık etkilerini değerlendirmek için önemlidir. Uranyum ve Polonyum elementleri

19

vücuda alındığında çok ciddi zehirlenmelere neden olan maddelerdir. Bu maddelerin suda tespiti için, Fransa’da bir araştırma grubu kaliksaren adı verilen supramolekülleri kullanarak bu zehirli maddeleri suda saptamayı başarmışlardır. Çalışmalarında, kaliks[6]aren türevli kolonların içme suyunda uranyum analizi için uygulanabilirliği araştırmışlardır. İçme suyundan U'nun ayrılması ve ön konsantrasyonu için AQUALIX adındaki belirli bir sütunda basit ve etkili bir yöntem geliştirerek bunu başarmışlardır. f. Savunma Teknolojisi

Gelişmiş ve endüstri sektörü anlamında bir hayli yol kat etmiş dünya devi ülkelerde gerek kimyasal savaşlar gerekse biyolojik savaşlar için yeni ve yüksek teknolojiler kullanılmıştır. Nanoteknoloji çalışmaları kapsamında askeri gereksinimlere yönelik kimyasal- biyolojik savaş araçları ile nanoyapılı patlayıcı ve zırh projeleri geliştirmek ve üretmek savunma sektörünün hedefleri arasında yer almaktadır. ABD Savunma Bakanlığı tarafından, mermilere, kimyasal ve biyolojik saldırılara karşı koruma sağlayan, ısıtma ve soğutma yapan, vücut fonksiyonlarını gözlemleyen, yaraları tedavi eden ve ilaç uygulayan savaş kıyafetlerinin üretilmektedir. Nanoteknolojinin ulusal savunma ve güvenlik için birçok uygulama ve kullanım alanı belirlenmiştir. Bunlar kısaca örneklendirilecek olursa;

▪ Minyatür sensörler, yüksek hızlı işlemci ve iletişim araçları, ▪ Eğitim için yapay sanal sistemler,

▪ İnsansız kara/deniz/hava araçları,

▪ Askeri platformlarda yüksek performans,

▪ Geliştirilmiş kimyasal, biyolojik ve nükleer algılama sistemleri ve bakım araçları, ▪ Nükleer serpintinin gözlemlenmesi ve önlenmesi için geliştirilmiş sistemler, ▪ İnsan gücü performansının geliştirilmesi,

▪ Beyin-makina arayüzünü sağlayan sistemler

İnsanlar kimyasal ve biyolojik savaş (C & B) ajanlarına karşı korunma gerektirir. Metal iyonlarla kompleksleştirilen aktive edilmiş kömür şu anda koruyucu giysi uygulamalarında kullanılmaktadır. Ancak dezavantajları da vardır. Elektrospin yöntemiyle üretilen polyethylene imine (PEI)/naylon karışımı ürün membranı seçici olmayan metal oksit nanoparçacıkları ile biyolojik savaş (CB) ajanlarını toksik olmayan ürünlere dönüştürürler. Ayrıca bu membranlar hidrofilik özelliklere sahiptir, bu nedenle koruyucu giysi uygulamaları için uygun adaylardır.

20 g. Tekstil Teknolojisi

Tekstilde nanoteknoloji uygulamaları, nano-tekstiller olarak isimlendirilir. Bir kumaşı geliştirmenin en iyi yolu kumaşı oluşturan liflerin moleküler düzeyde güçlendirilmesiyle mümkün olur. Moleküler nanoteknoloji felsefesi ile elde edilen tekstil yüzeyleri birer nanomalzemedirler (Kut ve Güneşoğlu, 2005).

Nanoteknoloji ve nanomalzemeleri uygun koşul ve miktarlarda kullanarak tekstil ürünlerine aşağıda verilen işlevleri kazandırmak mümkündür.

▪ Mekanik, kimyasal, fotokimyasal veya termal bozunmalara karşı dayanıklılığın arttırılması,

▪ Su, yağ ve kirlenmeye karşı iticiliğin geliştirilmesi,

▪ Morötesinden kızılötesine elektromanyetik dalgayı soğurma ve ışıtma özelliğinin değiştirilebilmesi,

▪ Antistatik ve elektromanyetik koruyucu etkiler için elektrik iletkenliğinin geliştirilmesi, ▪ Aktif ajanların tutulabilmeleri (hareketsizleştirme) ve kontrollü salınımları,

▪ Buruşmazlık.

Malzeme bilimi ve teknoloji konusunda faaliyet gösteren Empa Enstitüsü çalışanları, plazma teknolojisi ile düzenlenmiş tekstil yüzeyleri konusunda çalışmalar yürüttüler. Plazma polimerizasyonu ile 25 nm’den küçük nano gözenekli yapılar elde edilerek kaplamalar yapılabildiği açıklanmıştır. Boyamalarda renk yoğunluğu, kaplanan film tabakasının kalınlığına göre değişen tekstil yüzeyleri ile kaplandığında bakterilere karşı etkin olabilmekte ve yaralanmalarda, çoraplarda, spor giysilerde kullanılabilmektedir (Türkant ve Akalın, 2007).

h. Nanomalzeme Teknolojisi

Nanoteknoloji malzeme ve aygıt üretim yöntemlerinin değişmesini; nano boyutta işlevi olan malzeme ve aygıtların malzeme içine yerleştirilmesini ve bunların çok miktarda ve hatasız bir şekilde üretilmesi için yeni yöntemlerin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Nanoüretim tekniklerinin sunduğu bazı yollarla doğada bulunmayan malzemelerin tasarlanması mümkün olabilir. Düşük maliyetli malzemeler de geliştirilerek nanoüretim teknikleri çağın üretimi haline getirilebilir. Nanoteknolojinin bu bağlamda muhtemel uygulama alanları: sonradan işlenmeye ihtiyaç duyulmadan tam istendiği şekliyle nanoyapıda metal, seramik, polimer malzemeler, nanoölçekte parçacıklardan yapılmış

21

boyalar, nanoölçekte kaplama yapılmış kesme aletleri, elektronik kimyasal uygulamalar, nanoölçekte yeni ölçüm standartları, yonga üzerinde nanoölçekte karmaşık ve çok işlevli nanoüretimidir. Nanomalzemeler, günlük yaşamda kullandığımız birçok ürünün geliştirilmesinde kullanılmaya başlanmıştır. Su geçirmez nanofiberlerden yapılan kayak malzemeleri ve kil polimer nanokompozitler kullanılarak yapılan tenis topları ve daha sayılabilecek birçok malzeme günlük yaşantımızı kolaylaştıran malzemelerdir. Bu ürünler klasik ürünlere nispeten daha sağlam, daha uzun ömürlü ve daha hafif olmaktadır. Nanomalzemeler ağırlıklı olarak, nanoanalitik, nanobiyoteknoloji ve nanokimya gibi alanlarda kullanılmaktadır. Nanomalzemeler, nanoteknolojinin diğer alanlarda uygulanabilmesi için temel teşkil etmektedir. Geçtiğimiz 20 yıl içerisinde, metal, seramik, polimerik malzemeler ve kompozit malzemelerden oluşan nanoyapılı malzemelerin, sanayi, biyomedikal ve elektronik uygulamaları üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Kuantum noktalarla yapılan araştırmalar sayesinde nanoelektroniğin hız kazanmasına katkı sağlanabilecek, biosensörler ile nanobiyolojide devrim yaratılabilecek ve daha fazla dirence sahip yeni seramiklerin üretilmesi ile de enerji depolamada büyük kazanımlar gerçekleşebilecektir.

Nanomalzemeleri diğer malzemeler türlerinden ayıran en önemli iki özellik, artırılmış yüzey alanı ve kuantum etkileridir. Bu faktörler, reaktiflik, direnç, sertlik ve elektriksel özellikleri artırabilmekte ve değiştirebilmektedir. Parçacıkların boyutları azaldıkça, yüzeydeki atom sayısı oranı artmaktadır. Nanoparçacıklar büyük parçacıklara oranla daha yüksek seviyede yüzey/hacim oranına sahiptirler. Ve nanoparçacıklar bundan dolayı daha duyarlıdırlar. Nanomalzemeler boyutlarına göre tek, çift ve üç boyutlu nanoölçekli malzemeler olarak üç gruba ayrılmaktadırlar. Tek boyutlu nanomalzemeler, elektronik cihaz üretimi, kimya ve mühendislik gibi alanlar için geliştirilmekte ve bu alanlarda kullanılmaktadır. Çift boyutlu nanomalzemeler araştırma konularını da beraberinde getirmiştir. Nanoteknoloji konusunda yazılan birçok makale ve yazılarda, genelde karbon nanotüpler ön plana çıkmaktadır. Karbon atomları, çok güçlü bağlar oluşturabildikleri için çok dayanıklı ve aynı zamanda hafif malzemelerin yapımında kullanılmaktadır. Ancak sentetik “buckyballs”lar (60 karbon atomundan oluşan yuvarlaklaştırılmış nanomalzeme), çok daha ilginç özelliklere sahip olup, diğer maddelerle birleştiklerinde elektrik iletkenliği, yalıtkanlık, yarı ve süper iletkenlik gibi oldukça değişik davranışlar göstermektedirler.