S. Hakan YETGİN shyetgin@dumlupinar.edu.tr Sakarya Üniversitesi Metal Eğitimi Bölümü

1. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü NANO TEKNOLOJİ VE NANO KOMPOZİTLER S. Hakan YETGİN shyetgin@dumlupinar.edu.tr Sakarya Üniversitesi Metal Eğitimi Bölümü

2. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Nano Nedir? • “Nano” Yunanca bir kelime olup cüce anlamına gelmektedir. 1 Nanometre= 10-9metre Bir insanın saç telinin kalınlığının yaklaşık 1/80.000’i kadardır. • Nano-BİLİM – temel çalışma ilkesi, en küçük boyutları aşağı-yukarı 1 ile 100 nm arasında olan moleküller ve atomlardır. • Nano-TEKNOLOJİ – molekül ve nano yapıların, nano boyuttaki cihazlara uygulanması. John R. Lloyd

3. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü M. Deal

4. The Scale of Things -- Nanometers and More 1 cm 10 mm 10-2 m Head of a pin 1-2 mm 1,000,000 nanometers = Ant ~ 5 mm 10-3 m 1 millimeter (mm) MicroElectroMechanical Devices 10 -100 mm wide Dust mite 200 mm 0.1 mm 100 mm 10-4 m Fly ash ~ 10-20 mm The Microworld Human hair ~ 10-50 mm wide 0.01 mm 10 mm 10-5 m 1,000 nanometers = Red blood cells Pollen grain 10-6 m 1 micrometer (mm) Visible spectrum 0.1 mm 100 nm 10-7 m The Nanoworld 0.01 mm 10 nm Nanotube transistor Nanotube electrode 10-8 m ~10 nm diameter ATP synthase 10-9 m 1 nanometer (nm) DNA ~2-1/2 nm diameter Carbon nanotube ~2 nm diameter Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm 10-10 m 0.1 nm Things Natural Things Manmade Red blood cells with white cell ~ 2-5 mm Atoms of silicon spacing ~tenths of nm

5. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Deb Newberry

6. Niçin Küçük Daha İyidir? • Hafif • Ucuz • Daha fazla enerji verimi • Çok küçük aralıklarda değişik özellikler M. Deal

7. Bu kadar küçük nasıl yapılabiliyor? Bu kadar küçük nasıl yapılabiliyor? “Yukarıdan-Aşağıya” – bir malzemeyi küçülterek nano boyuta getirmek (heykel tıraş gibi). “Aşağıdan-Yukarıya” – atomları bilinçli bir şekilde dizerek nano ölçekli malzeme geliştirmek. Bu yöntem zor olmasından dolayı çok az kullanılıyor. M. Deal

8. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Nano-TEKNOLOJİ • Yan yana dizilmiş 10 hidrojen atomunun bir nanometre uzunluğunda yer kaplayacağı ya da DNA moleküllerinin 2,5 nanometre genişliğinde olduğu düşünülürse bu teknolojinin hangi boyutlarda iş görmek üzere tasarlanıp geliştirildiği de anlaşılır. • Nanoteknoloji, temelde, malzemeyle; ama, moleküler ve atomal düzeyde malzemeyle uğraşmaktadır • Bu uğraş, özellikleri, istenen işlevleri yerine getirebilecek biçimde, insan eliyle tasarımlanabilen ve moleküler/atomal düzeyde denetlenebilen, yepyeni malzemeler, yapılar, organizmalar, sistemler, cihazlar yaratmak demektir.

9. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü NANOTEKNOLOJİNİN AMAÇLARI • Nanometre ölçekli yapıların analizi ve imalatı • Nanometre boyutundaki yapıların fiziksel özelliklerinin anlaşılması, • Nano ölçekli cihazların geliştirilmesi, • Nano hassasiyetli cihazların geliştirilmesi, • Daha farklı ve üstün nitelikli mekanik, elektrik, ısıl, optik ve kimyasal özelliklere sahip materyal ve sistemler geliştirmesi.

10. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Nano-teknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları 1-Endüstriyel Alan:Otomotiv parçaları (mikro sensör, makine ve pompa kullanan otomobiller), nano boyutlu kaplamalar, chip ve cd üretmi. 2-Tıp ve Sağlık Alanı:Mikro-nano cerrahi ( özellikle göz ve beyin cerr.), Hücre, doku ve moleküllerdeki hasarların belirlenmesi, Ultraviyole korumalı kozmetik ürünler yaratılıyor. 3-Bilimsel Araştırmalar:Yüzey karekterizasyonu ve modifikasyonu, Mikroorganizmaların taşınması, DNA-Modifikasyonu. 4-Malzeme Bilimi; Çok daha güçlü, hafif, kimyasal işlemlere ve sıcaklığa dayanıklı malzemelerin üretiminde kullanılıyor. Örneğin karbon nanotüplerden üretilmiş kumaşlar. Bunlar kurşun geçirmediği için askeriyede kullanılıyor. Bu yolla üretilen ve nanotext denilen kumaşlar da leke ve bakteri tutmuyor ve çok sağlam oluyor. Radyasyon veya ışığa karşı kontrol edilebilir tepkiler veren malzemeler de geliştirildi. Nanoteknolojik ışıklandırma sistemleri ile dünya enerji ihtiyacının yüzde 10 oranında azalması bekleniyor. 5-Enerji; Nanoteknolojiyle üretilen yakıt hücreleri, gelişmiş piller, güneş hücreleri

11. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Nanoteknolojinin Günümüzde Tipik Uygulama Örnekleri • Karbon nanotüp, • Karbon lifler üreterek hidrojen bataryası olarak kullanma, • Nano kütüphaneler, • Veri bilgi depolama (Noval data storage system), • Hücre onarım robotları (Cell repair units), • Polietilen üretiminde zincir yapısı değişimi ile çelikten sağlam taşıyıcı halat üretimi (Kevlar ).

12. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Bazı Ülkelerde Nano-teknolojiye Yönelik Araştırma ve Uygulamalar Rusya • Boyutları atom ve moleküllerle karşılaştırılabilecek ölçüde elektronik devrelerin yapımı. • Bir molekül büyüklüğünde nanoaletlerin, nano robotların geliştirilmesi • Tuğla ve briket örerek bir binanın yapımına benzer şekilde atom ve molekülleri tek, tek yakalayarak çeşitli maddelerin sentezlenmesi.  Polonya • Nanokristal tozlar • Metallerden nano maddeler ve nano maddelerin elektronikte kullanılması • Yumuşak , manyetik nano maddeler • Şarj edilebilir Lityum pil ve akü üretimi için seramik nanomaddeler sentezi

13. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Çek Cumhuriyeti • Nanokompozitler ve magnezyum alaşımları • Nano kristal tozlar • İnce tabaka ve  metal kaplama • Nano kaplama yüzeyler ve yarı iletken nano yapılar • Nanotüp üretimi • Nükleik asitler, proteinler, polimerlerin yapıları ve tayini • Süper manyetik toz nanoparçacıklar

14. Kore • Kore Makina ve Malzeme Enstitüsü nanomekatronik, ileri derecede hassas işleme sistemleri (10 nanometre hassasiyetinde), yeni işlevlere yönelik nanomalzemeler ve akıllı malzemeler • Kore Sınaî Teknoloji Enstitüsü de yine, nanoölçekte, ileri derecede hassas işleme teknolojisi, nano-şekillendirme teknolojisi, nano-yüzey işlemleri teknolojisi ve kristal yapıda olmayan nanomalzemeler için teknoloji geliştirme • Kore Elektronik Teknolojisi Enstitüsü ise, nanomekatronik, nanoölçekte kuvantum aygıtlar, nano-biyoteknoloji, nanoteknoloji tabanlı enformasyon ve enerji depolama üzerinde çalışıyor. http://www.inovasyon.org

15. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü NANOTEKNOLOJİDE ÖNCÜ ŞİRKETLER • IBM; Nanoteknolojinin gelişmesinde en büyük katkıyı sağlayan STM (Scanning Tunneling Microscope) ve AFM’yi (Atomic Force Microscope) keşfetti. Nanoteknoloji AR-GE’sine her yıl 5 milyar doların üstünde yatırım yapıyor. Yılda bu konuda 3 bin 500 civarında patent alıyor. Şu anda karbon nanotüp transistörler, LCD ekranların yerine geçecek atomik ışınlı bilgisayar ekranları, manyetik kayıt sistemleri, nano yapılı saklama cihazlarıyla ilgili çalışmalar yapıyor. • General Motors; Nanoteknoloji ile üretilmiş kompozit malzemeler içeren kamyonetleri pazara sundu. Bu nano kompozitler çok daha hafif ancak bir o kadar dayanıklı. GM, şu anda yakıt hücreleri, algılayıcılar ve seramik motorlar üzerine çalışmalar yapıyor. • Nanophase Nanophase Technologies Corporation; Piyasaya sürdüğü nano-güneş kremiyle ismini duyurdu. Toz halde seramik ve metalik malzemeleri içeren Nanocrystalline malzemeler üretiyor. • Nano-Tex;Dayanıklı, leke ve koku tutmayan kumaşlar üretiyor.

16. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü TİCARETE DÖNÜŞTÜREN TÜRK ŞİRKETLERİ • Normtest;ağırlıklı olarak fizik, elektrik-elektronik, metalurji ve malzeme mühendisliği, kimya, biyoloji ve biyoteknoloji alanlarındaki nanoteknoloji ürünlerini Türkiye pazarına sunuyor. Bunlar ince filmler, malzemelerin optik özelliklerini ölçen spektrometreler. • Arçelik; Nanoteknoloji konusunda yapılan çalışmalar özellikle ‘polimer’ ve ‘yüzey işlemleri’ konularına odaklandı. İlk kez 2003’ün Eylül ayında koku filtreli hijyen uygulaması ile nanoteknoloji ürünü buzdolabını ürettiler ve son olarak 2004 yılı Temmuz ayında yine nanoteknoloji ürünü olan tam koruma üçgenli multihijyen buzdolabını pazara sundular. Şirket, yıllık cirosunun %1-1,5 (yaklaşık 35 milyon dolar) AR-GE çalışmalarına aktarıyor, nanoteknoloji çalışmaları da bunun içinde.

17. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü TİCARETE DÖNÜŞTÜREN TÜRK ŞİRKETLERİ • Yaşar Holding; Yaşar Grubu’nun boya markası DYO, bir yıl süren nanoteknoloji araştırmalarının sonunda solmaya, kirlenmeye dirençli kendini temizleyen nanoteknolojiye sahip akıllı boya üretti. Yaşar Holding, nanoteknoloji AR-GE’sine 200 bin euro ayırıyor. • Yeşim Tekstil;Ürettiği akıllı kumaşlar kolay ütüleniyor, çabuk kuruyor ve leke tutmuyor. • Zorlu Enerji;Yakın zamanda nanoteknoloji alanında büyük bir atılım yaptı. Evlerde elektriğinizi kendinizin üretebileceği bir aletin prototipini geliştirdi.

18. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü ARAŞTIRMA YAPAN ÜNİVERSİTELER • Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü • Bilkent Üniversitesi • ODTÜ • İTÜ • Gazi Üniversitesi

19. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü DÜNYADA NANOTEKNOLOJİ YATIRIMLARI • Nanoteknoloji alanında dünyada en büyük yatırımı ABD yapıyor. Ülkede şu anda 50’in üzerinde nanoteknoloji araştırma merkezi var ve bunlara her geçen gün yenileri ekleniyor. • ABD’de ulusal nanoteknoloji yatırımı 2003 yılı için 710 milyon dolardı, 2005’in ilk yarısı için 850 milyon dolara çıkarıldı. • ABD’yi 650 milyon dolarlık yatırım ile Japonya, • 400 milyon dolar ile Avrupa Birliği takip ediyor. • Bu alanda yarışa katılan diğer ülkeler Rusya, İsrail, Güney Kore, Çin, Kanada ve Avustralya.

20. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü NANO HAYALLER • İsrailli bilim adamları, biyolojik moleküllerle, test tüpü içinde bir bilgisayar oluşturmayı başardılar. Amaçları, 1 trilyon bilgisayarın saniyede yaptığı 1 milyar işlemi, yüzde 99.8 doğrulukla yapabilen ve yalnızca 1 Watt’ın on milyarda birinden daha az enerji kullanan bir bilgisayar üretmek. • INEX’teki (Newcastle Üniversitesi’ndeki nanoteknoloji şirketi) bilim adamları, Kuzey İngiltere’deki iki turistik merkezin çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük boyutlarda modellerini yaptı. Her iki model de silikondan yapılmış ve her biri yaklaşık 400 mikron genişliğinde. Bu modellerin yapımında kullanılan teknolojinin cep telefonları için küçültülmüş anten yapımında kullanılması planlanıyor. • Leeds’teki Disiplinler Arası Biyonanobilimler Enstitüsü, çok küçük dozlarda ilaç taşıyabilecek trenler ve denizaltılar üretmeye çalışıyor. Bu nano denizaltılar sayesinde cerrahi müdahaleye gerek kalmadan kanserli hücreler yok edilebilecek. Sadece kanserli hücreye yöneltildiği için sağlıklı dokular korunacak.

21. Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü NANO HAYALLER • Nanoteknolojiyle geliştirilen veri saklama yöntemiyle, örneğin Britanya Ulusal Kütüphanesi küçük bir sayfa boyutuna sığdırılabilecek. • Tarımda; bitki ve hayvanlar gibi yiyecek üreten doğal makineler, yani moleküler robotlar geliştirilip kullanılacak. Tarım, doğa koşullarına bağımlı olmayacak ve yiyecek sorununu da kökünden çözecek. • Bilgisayarların hafızaları Terabyte’a (1024 gigabyte) ulaşacak. • Ekolojide; moleküler hijyen robotları geliştirilecek. • Enerjide; maddeler nano boyuta geldiği zaman katalizör etkisi çok artıyor. Bu yolla egzoz gazı ortadan kalkacak.

22. KAYNAKLAR • John R. Lloyd, Nanotechnology: What’s the Big Deal? ,University Distinguished Professor, Department of Mechanical Engineering,October 15, 2004 • M. Deal, Standford, 30.6. 2005 • Deb Newberry, President, Newberry Technologies Inc, Nanotechnology – It’s Like Nothing We Have Seen So Far

23. NANO TÜPLER

24. Karbon Nano-tüpler • Nanotüpler, kristalin grafitlerden oluşan, hegzagonal örgüdeki karbon atomlarından oluşur. Scott E. Wadley

25. Karbon Nano-tüplerin atomik yapısı Karbon’un kristal haliGraphite Tabaka yapısı: tabaka içi sağlamatomik bağ, tabakalar arası zayıfbağ 3.4 Å 1.42 Å

26. Özellikler • Diğer malzemelere göre üstün rijitlikvedayanım • Olağanüstü elektriksel özellikler • 2800oC’de vakum altında ısıl denge • Yapılarına bağlı olarak ya iletken ya da yarı-iletken • Bakır tele göre 1000 kat daha fazla elektrik akımı taşıma kapasitesi • Elmasın iki katı termal iletkenlik • Dayanımı çelikten 100 kat daha fazla, ağırlığı ise 1/6 dır. • İnsan saçından 10.000 kez daha ince

27. MEKANİK ÖZELLİKLER • Mekanik olarak çok sağlam, kovalent bağ ile bağlı yapılar • Farklı yarıçaplarda, çok katlı olabilen, çok kararlı yapılar • Yüksek elastik modül • Kırılma tokluğu çok yüksek • Esnek olduğundan her türlü şekil verilebilir.

28. Bazı genel yüksek-dayanımlı malzemelerin çekme dayanımı Scott E. Wadley

29. Genel Uygulamalar • Boru • Çubuk • Mil • Yay • Dişli • Pompa John R. Lloyd Scott E. Wadley Boxuan Gu David McQuilling

30. Nano Tüplerin Kullanımı • Olağanüstü elektriksel özellikleri nedeniyle, televizyon ve bilgisayar gibielektronikalanında kullanılmaktadır. • Bugünkü televizyon ve bilgisayar ekranları Katod Işıklı Tüpler (CRT) olarak biliniyor. Karbon nano bilimi kullanarak nanotüplerden geliştirilen Saha Yayılımlı Tüp (FET) ise, bugün kullandıklarımızdan çok daha parlak, neredeyse göz ardı edilebilir kadar az enerji kullanan ve ağırlıkları da çok daha hafif olan ekranların üretimine geçilmesi ve piyasaya çıktığında eskilerinden daha ucuz olmasını sağlıyor

31. KAYNAKLAR • John R. Lloyd, Nanotechnology: What’s the Big Deal? ,University Distinguished Professor, Department of Mechanical Engineering,October 15, 2004 • Boxuan Gu and David McQuilling, Nanomaterials • Scott E. Wadley, Department of Aerospace Engineering at The University of Kansas, Carbon Nano-tubes: An Overview

32. Nano-Kompozitler

33. Nano-Kompozitler • Nanoteknolojinin özü, moleküler boyutta çalışarak, moleküler yapısı yenilenmiş büyük yapılar elde etmektir. Malzemelerin nanometrik boyuttaki özellikleri, aynı malzemenin makro boyuttaki özelliklerine göre değişiklik göstermektedir.Nano kompozitler, bir matris içerisinde nanometre büyüklüğünde parçacıkların dağılması ile oluşan malzemelerdir. • Nano kompozitlerin malzemeye getirdiği üstünlükler; modülü arttırması, güçlendirmesi, ısı direncini arttırması, malzemeye gaz sızmasını engellemesi, yanıcılığını azaltması olarak sıralanabilir.

34. Nanoyapılı malzeme, tane/partikül boyutu 1-100 nm arasında olan malzemelerdir. • Mikro-yapılı malzemelerde atomların küçük bir yüzdesi yüzeyde ya da arayüzeyde (mesela tane sınırı) bulunmaktadır. • Nano-malzemelerde ise bu tür yerlerdeki atomların sayısı çok daha fazladır. Dolayısı ile nanometre seviyelerinde malzemelerin özellikleri geleneksel mikroyapılı malzemelerle karşılaştırıldığında değişik olabilmektedir.

35. Nano Malzemelerin Üretim Yöntemleri • Buhar yöntemleri • Sıvı yöntemleri • Yaş kimyasal yöntemler • Katı yöntemler • Buhar-sıvı-katı yöntemleri Gencer GENÇ

36. 1.Buhar yöntemleri A. Fiziksel Buhar Depozisyonu (PVD) a) İnert Gaz Yoğunlaştırma b) Anlık Ergitme ve Yoğunlaştırma B. Kimyasal Buhar Depozisyonu (CVD) C. Sprey Dönüşümü (Aerosol) Prosesi 2.Sıvı Yöntemleri A. Sol-Jel Prosesi Gencer GENÇ

37. 3. Yaş Kimyasal Yöntemler A. Bileşik Yöntem B. Polyol Prosesi 4. KatıYöntemler A. Mekanik alaşımlama / öğütme B. Mekano Kimyasal Yöntem Gencer GENÇ

38. Jason Stone, Dr. Linda Schadler, Ben Ash

39. NANO-KOMPOZİTLER Amaç; • Elektrik, • Magnetik, • Optik, • Kimyasal özellikler açısından diğerlerinden çok iyi özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi.

40. NANO-KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI • Nano kompozitleri boyutlarına göre sınıflandırmak istenilirse; nano ebatta kaç boyutu olduğuna bakılır. • Nano kompozit üç boyutta da nanometrik seviyede ise ‘isodimensional’ nanopartiküller olarak adlandırılır ve in-situ, sol-gel metodu ile elde edilen kübik silis nano partikülleri buna bir örnek olarak verilebilir. • Eğer nano kompozit 2 boyutta nanometrik ve diğer boyutta daha büyük boyda ise nano tüpler veya kil kristalleri (whiskers) olarak adlandırılırlar. Selülozik kil kristalleri ve karbon nano tüpler bu tip nano kompozitlere örnek olarak verilebilir ve bunlar malzemelerin güçlendirmesinde nano dolgu maddesi olarak kullanılırlar. • Üçüncü çeşit nano kompozit ise sadece tek boyutta nanometrik seviyededir. Bu tür nano kompozitlerde dolgu malzemesi bir defter yaprağı gibi yalnızca tek bir boyutta nanometrik seviyededir, diğer boyutlarda ise yüzlerce yada binlerce nanometre boyutundadır. Volkan ÖZENÇ, Hüseyin ÇAKIR

41. NANO-KOMPOZİTLER metal / seramik metal / metal seramik / seramik Nano Kompozitler polimer / seramik inorganik/ polimer polimer / polimer

42. NANO-KOMPOZİTLER • Nanokompozitlerseramik/seramik • Al2O3/(SiC, Si3N4, TiC, TiN, TiB2, BN), MgO/SiC, • Si3N4/(SiC, TiN, BN), Sialon/SiC, B4C/SiC, B4C/SiC/TiB2 • 2. Nanokompozitlerseramik/metal • Al2O3/(W, Mo, Ti, Ni, Co, Fe, FeNi), ZrO2/(Mo, Ni. Co) • MgO/(Fe, Ni) • 3. Nanokompozit temelli fonksiyonel seramikler • BaTiO3, ZnO, c-ZrO2 based nanocomposites • 4. Nanokompozitler metal/seramic • Ti-Al Intermetalic based nanocomposites, MoSi2based nanocomposites • 5. Nanokompozitlerpolimer/seramikve polimer/metal Mustafa Tuncer

43. Toz Mikroyapı Makroyapı Arzu edilen özelliklere Sahip KOMPOZİT MALZEME Mukavemet, tokluk, sürünme, kimyasal kararlılık, Yüksek sıcaklık özellikleri Mustafa Tuncer

44. NANO-KOMPOZİTLER • Nanoboyuttaki tozlar, gelişmiş özelliklere sahip nanokompozitleri oluşturmak üzere seramik, metal ya da polimer gibi malzemeler içinde destekleyici olarak kullanılmaktadır. Nano toz / Nano toz seramik kompozitler için kullanılacak tozlar; • Yüksek kimyasal saflık • Homojen toz boyut dağılımı • Düşük topaklaşma • Nano boyutta homojen olarak dağılmış tozların elde edilmesi gerekir. • BU NEDENLE TOZ ÜRETİM YÖNTEMİ ÖNEMLİ BİR BASAMAKTIR. Mustafa Tuncer

45. TOZ ÜRETİMİ İÇİN FARKLI SENTEZLEME YÖNTEMLERİ Mustafa Tuncer

46. KAYNAKLAR 1) Jason Stone,Dr. Linda Schadler, Ben Ash,Alumina Filled PMMA,(Poly-ethlymethacrylate), MaterialsScience and Engineering 2) Mustafa Tuncer, Alümina/Zirkon Kompozitler İçin nanoboyutta toz üretimi, Dumlupınar Üniversitesi, Seramik Mühendisliği Bölümü 3)Volkan ÖZENÇ, Hüseyin ÇAKIR, Nanokompozit poliüretan üretimi 4) Gencer Genç, Nano fazlı malzemeler