Nanoteknoloji
| Üzerine bir dizi makalenin bir parçası ⓘ |
| Nanoteknoloji |
|---|
|
| Etki ve uygulamalar |
|
| Nanomalzemeler |
|
| Moleküler kendiliğinden birleşme |
|
| Nanoelektronik |
|
| Nanometroloji |
|
| Moleküler nanoteknoloji |
|
|
|
Nanoteknoloji, nanotech olarak da kısaltılır, maddenin endüstriyel amaçlarla atomik, moleküler ve supramoleküler ölçekte kullanılmasıdır. Nanoteknolojinin en eski ve yaygın tanımı, günümüzde moleküler nanoteknoloji olarak da adlandırılan, makro ölçekli ürünlerin imalatı için atom ve moleküllerin hassas bir şekilde manipüle edilmesine yönelik özel teknolojik hedefe atıfta bulunmuştur. Nanoteknolojinin daha genel bir tanımı daha sonra Ulusal Nanoteknoloji Girişimi tarafından yapılmış ve nanoteknoloji 1 ila 100 nanometre arasında en az bir boyuta sahip maddenin manipülasyonu olarak tanımlanmıştır. Bu tanım, kuantum mekaniksel etkilerin bu kuantum alemi ölçeğinde önemli olduğu gerçeğini yansıtmaktadır ve bu nedenle tanım, belirli bir teknolojik hedeften, verilen boyut eşiğinin altında meydana gelen maddenin özel özellikleriyle ilgilenen her türlü araştırma ve teknolojiyi içeren bir araştırma kategorisine kaymıştır. Bu nedenle, ortak özelliği boyut olan geniş araştırma ve uygulama yelpazesine atıfta bulunmak için "nanoteknolojiler" ve "nano ölçekli teknolojiler" çoğul formunu görmek yaygındır. ⓘ
Boyuta göre tanımlanan nanoteknoloji doğal olarak geniştir ve yüzey bilimi, organik kimya, moleküler biyoloji, yarı iletken fiziği, enerji depolama, mühendislik, mikrofabrikasyon ve moleküler mühendislik gibi çeşitli bilim alanlarını içerir. İlgili araştırma ve uygulamalar, geleneksel cihaz fiziğinin uzantılarından moleküler kendi kendine montaja dayalı tamamen yeni yaklaşımlara, nano ölçekte boyutlara sahip yeni malzemeler geliştirmekten maddenin atomik ölçekte doğrudan kontrolüne kadar eşit derecede çeşitlilik göstermektedir. ⓘ
Bilim insanları şu anda nanoteknolojinin gelecekteki etkilerini tartışmaktadır. Nanoteknoloji, nanotıp, nanoelektronik, biyomalzeme enerji üretimi ve tüketici ürünleri gibi geniş bir uygulama yelpazesine sahip birçok yeni malzeme ve cihaz yaratabilir. Öte yandan nanoteknoloji, nanomalzemelerin toksisitesi ve çevresel etkileri ile küresel ekonomi üzerindeki potansiyel etkileri hakkındaki endişeler ve çeşitli kıyamet senaryoları hakkındaki spekülasyonlar da dahil olmak üzere herhangi bir yeni teknoloji ile aynı sorunların çoğunu gündeme getirmektedir. Bu endişeler, savunucu gruplar ve hükümetler arasında nanoteknolojinin özel olarak düzenlenmesinin gerekli olup olmadığı konusunda bir tartışmaya yol açmıştır. ⓘ
Nanoteknoloji, maddenin atomik, moleküler ayrıca supramoleküler seviyede kontrolüdür. ⓘ
Kökenleri
Nanoteknolojinin tohumlarını atan kavramlar ilk olarak 1959 yılında ünlü fizikçi Richard Feynman tarafından atomların doğrudan manipülasyonu yoluyla sentez olasılığını tanımladığı There's Plenty of Room at the Bottom adlı konuşmasında tartışılmıştır. ⓘ
"Nano-teknoloji" terimi ilk kez 1974 yılında Norio Taniguchi tarafından kullanılmış olsa da yaygın olarak bilinmiyordu. Feynman'ın kavramlarından esinlenen K. Eric Drexler, 1986 tarihli Engines of Creation adlı kitabında "nanoteknoloji" terimini kullanmıştır: The Coming Era of Nanotechnology (Yaratılışın Motorları: Nanoteknolojinin Gelmekte Olan Çağı) adlı kitabında "nanoteknoloji" terimini kullanmıştır. Bu kitapta, atomik kontrol ile kendisinin ve rastgele karmaşıklıktaki diğer öğelerin bir kopyasını oluşturabilecek nano ölçekli bir "birleştirici" fikri önerilmiştir. Ayrıca 1986 yılında Drexler, nanoteknoloji kavramları ve etkileri konusunda kamu bilincini ve anlayışını artırmaya yardımcı olmak amacıyla (artık bağlı olmadığı) The Foresight Institute'u kurmuştur. ⓘ
Nanoteknolojinin 1980'lerde bir alan olarak ortaya çıkışı, Drexler'in nanoteknoloji için kavramsal bir çerçeve geliştiren ve yaygınlaştıran teorik ve kamusal çalışmaları ile maddenin atomik kontrolüne ilişkin beklentilere daha geniş ölçekte dikkat çeken yüksek görünürlüklü deneysel ilerlemelerin bir araya gelmesiyle gerçekleşmiştir. 1980'lerde, iki büyük atılım modern çağda nanoteknolojinin büyümesini tetikledi. Birincisi, 1981 yılında tek tek atomların ve bağların daha önce görülmemiş bir şekilde görüntülenmesini sağlayan ve 1989 yılında tek tek atomları manipüle etmek için başarıyla kullanılan taramalı tünelleme mikroskobunun icadıdır. Mikroskobun geliştiricileri Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer IBM Zürih Araştırma Laboratuvarı'nda 1986 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. Binnig, Quate ve Gerber aynı yıl benzer bir atomik kuvvet mikroskobunu da icat etmişlerdi. ⓘ
İkinci olarak, fullerenler 1985 yılında, 1996 Nobel Kimya Ödülü'nü birlikte kazanan Harry Kroto, Richard Smalley ve Robert Curl tarafından keşfedilmiştir. C60 başlangıçta nanoteknoloji olarak tanımlanmamıştır; bu terim, nano ölçekli elektronik ve cihazlar için potansiyel uygulamalar öneren ilgili karbon nanotüplerle (bazen grafen tüpleri veya Bucky tüpleri olarak adlandırılır) ilgili sonraki çalışmalarla ilgili olarak kullanılmıştır. Karbon nanotüplerin keşfi büyük ölçüde 1991 yılında NEC'den Sumio Iijima'ya atfedilir ve Iijima bu çalışmasıyla 2008 Kavli Nanobilim Ödülünü kazanmıştır. ⓘ
Nano katman tabanlı metal-yarı iletken bağlantı (M-S bağlantı) transistörü ilk olarak 1960 yılında A. Rose tarafından önerilmiş ve 1962 yılında L. Geppert, Mohamed Atalla ve Dawon Kahng tarafından üretilmiştir. On yıllar sonra, çok kapılı teknolojideki gelişmeler, üç boyutlu, düzlemsel olmayan, çift kapılı bir MOSFET olan FinFET (fin field-effect transistor) ile başlayarak, metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) cihazlarının 20 nm kapı uzunluğundan daha küçük nano ölçekli seviyelere kadar ölçeklendirilmesini sağladı. UC Berkeley'de Digh Hisamoto, Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor ve diğerlerinden oluşan bir araştırma ekibi 1998'de 17 nm, 2001'de 15 nm ve 2002'de 10 nm'ye kadar FinFET cihazları üretti. ⓘ
2000'li yılların başında, bu alan hem tartışmalara hem de ilerlemeye yol açan artan bilimsel, politik ve ticari ilgi topladı. Kraliyet Cemiyeti'nin nanoteknoloji raporunda örneklendiği üzere, nanoteknolojilerin tanımları ve potansiyel etkileri konusunda tartışmalar ortaya çıkmıştır. Moleküler nanoteknoloji savunucuları tarafından öngörülen uygulamaların fizibilitesine ilişkin zorluklar ortaya çıkmış, bu da 2001 ve 2003 yıllarında Drexler ve Smalley arasında kamuya açık bir tartışmayla sonuçlanmıştır. ⓘ
Bu arada, nano ölçekli teknolojilerdeki ilerlemelere dayanan ürünlerin ticarileştirilmesi ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu ürünler nanomalzemelerin toplu uygulamalarıyla sınırlıdır ve maddenin atomik kontrolünü içermez. Gümüş nanopartiküllerin antibakteriyel ajan olarak kullanıldığı Silver Nano platformu, nanopartikül bazlı şeffaf güneş kremleri, silika nanopartiküller kullanılarak karbon fiberin güçlendirilmesi ve leke tutmayan tekstiller için karbon nanotüpler bunlara örnek olarak verilebilir. ⓘ
ABD'de nanoteknolojinin boyut temelli tanımını resmileştiren ve nano ölçekte araştırmalar için fon sağlayan Ulusal Nanoteknoloji Girişimi ve Avrupa'da Araştırma ve Teknolojik Gelişme için Avrupa Çerçeve Programları yoluyla olduğu gibi, hükümetler nanoteknoloji araştırmalarını teşvik etmek ve finanse etmek için harekete geçmiştir. ⓘ
2000'lerin ortalarında yeni ve ciddi bilimsel ilgi gelişmeye başladı. Maddenin atomik olarak hassas manipülasyonuna odaklanan ve mevcut ve öngörülen yetenekleri, hedefleri ve uygulamaları tartışan nanoteknoloji yol haritaları üretmek için projeler ortaya çıktı. ⓘ
2006 yılında Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) ve Ulusal Nano Fab Merkezi'nden Koreli araştırmacılardan oluşan bir ekip, dünyanın en küçük nanoelektronik cihazı olan 3 nm'lik bir MOSFET geliştirdi. Bu aygıt, kapı-etrafında (GAA) FinFET teknolojisine dayanıyordu. ⓘ
Altmıştan fazla ülke 2001 ve 2004 yılları arasında nanoteknoloji araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) hükümet programları oluşturmuştur. Hükümet fonları, nanoteknoloji Ar-Ge'sine yapılan kurumsal harcamaları aşmış ve fonların çoğu Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Almanya merkezli şirketlerden gelmiştir. 1970-2011 yılları arasında nanoteknoloji Ar-Ge'si konusunda en çok fikri patent başvurusu yapan ilk beş kuruluş Samsung Electronics (2.578 ilk patent), Nippon Steel (1.490 ilk patent), IBM (1.360 ilk patent), Toshiba (1.298 ilk patent) ve Canon (1.162 ilk patent) olmuştur. 1970-2012 yılları arasında nanoteknoloji araştırmaları konusunda en çok bilimsel makale yayınlayan ilk beş kuruluş Çin Bilimler Akademisi, Rusya Bilimler Akademisi, Centre national de la recherche scientifique, Tokyo Üniversitesi ve Osaka Üniversitesi olmuştur. ⓘ
Temel kavramlar
Nanoteknoloji, moleküler ölçekte işlevsel sistemlerin mühendisliğidir. Bu hem mevcut çalışmaları hem de daha ileri düzeydeki kavramları kapsamaktadır. Orijinal anlamıyla nanoteknoloji, eksiksiz, yüksek performanslı ürünler yapmak için günümüzde geliştirilmekte olan teknik ve araçları kullanarak öğeleri aşağıdan yukarıya doğru inşa etme öngörülen yeteneğini ifade eder. ⓘ
Bir nanometre (nm) bir metrenin milyarda biri ya da 10-9'udur. Karşılaştırmak gerekirse, tipik karbon-karbon bağ uzunlukları veya bir moleküldeki bu atomlar arasındaki boşluk 0,12-0,15 nm aralığındadır ve bir DNA çift sarmalının çapı yaklaşık 2 nm'dir. Öte yandan, en küçük hücresel yaşam formları olan Mycoplasma cinsi bakterilerin uzunluğu yaklaşık 200 nm'dir. Geleneksel olarak nanoteknoloji, ABD'deki Ulusal Nanoteknoloji Girişimi tarafından kullanılan tanımı takiben 1 ila 100 nm ölçek aralığı olarak alınmaktadır. Nanoteknolojinin cihazlarını atom ve moleküllerden oluşturması gerektiğinden, alt sınır atomların boyutuna göre belirlenir (hidrojen yaklaşık olarak çeyrek nm kinetik çapa sahip olan en küçük atomlara sahiptir). Üst sınır aşağı yukarı keyfi olmakla birlikte, daha büyük yapılarda gözlemlenmeyen olguların belirginleşmeye başladığı ve nano cihazda kullanılabildiği boyut civarındadır. Bu yeni olgular nanoteknolojiyi, eşdeğer bir makroskopik cihazın sadece minyatürleştirilmiş versiyonları olan cihazlardan farklı kılar; bu tür cihazlar daha büyük bir ölçektedir ve mikroteknoloji tanımı altına girer. ⓘ
Bu ölçeği başka bir bağlamda ifade etmek gerekirse, bir nanometrenin bir metreyle karşılaştırmalı boyutu, bir bilyenin dünya boyutuyla karşılaştırmalı boyutuyla aynıdır. Ya da başka bir şekilde ifade edecek olursak: bir nanometre, ortalama bir erkeğin usturayı yüzüne götürmesi için geçen sürede sakalının uzama miktarıdır. ⓘ
Nanoteknolojide iki ana yaklaşım kullanılmaktadır. "Aşağıdan yukarıya" yaklaşımda, malzemeler ve cihazlar, moleküler tanıma prensipleriyle kendilerini kimyasal olarak bir araya getiren moleküler bileşenlerden inşa edilir. "Yukarıdan aşağıya" yaklaşımda ise nano nesneler, atomik düzeyde kontrol olmaksızın daha büyük varlıklardan inşa edilir. ⓘ
Nanoelektronik, nanomekanik, nanofotonik ve nanoiyonik gibi fizik alanları, nanoteknolojinin temel bilimsel temelini sağlamak üzere son birkaç on yılda gelişmiştir. ⓘ
Daha büyükten daha küçüğe: malzeme perspektifi
Sistemin boyutu küçüldükçe çeşitli olgular belirgin hale gelir. Bunlar arasında istatistiksel mekanik etkilerin yanı sıra kuantum mekanik etkiler, örneğin katıların elektronik özelliklerinin parçacık boyutundaki büyük azalmalarla değiştiği "kuantum boyutu etkisi" yer almaktadır. Bu etki makro boyuttan mikro boyuta geçildiğinde ortaya çıkmaz. Bununla birlikte, kuantum etkileri nanometre boyut aralığına ulaşıldığında, tipik olarak kuantum alemi olarak adlandırılan 100 nanometre veya daha az mesafelerde önemli hale gelebilir. Ayrıca, makroskopik sistemlerle karşılaştırıldığında bir dizi fiziksel (mekanik, elektrik, optik, vb.) özellik değişir. Buna bir örnek, malzemelerin mekanik, termal ve katalitik özelliklerini değiştiren yüzey alanı/hacim oranındaki artıştır. Nano ölçekteki difüzyon ve reaksiyonlar, nano yapıdaki malzemeler ve hızlı iyon taşınımına sahip nano cihazlar genellikle nanoiyonik olarak adlandırılır. Nanosistemlerin mekanik özellikleri nanomekanik araştırmalarının ilgi alanına girmektedir. Nanomalzemelerin katalitik aktivitesi, biyomalzemelerle etkileşimlerinde potansiyel risklere de yol açmaktadır. ⓘ
Nano ölçeğe indirgenmiş malzemeler, makro ölçekte sergiledikleri özelliklere kıyasla farklı özellikler gösterebilir ve benzersiz uygulamalara olanak sağlayabilir. Örneğin, opak maddeler şeffaflaşabilir (bakır); kararlı malzemeler yanıcı hale gelebilir (alüminyum); çözünmeyen malzemeler çözünebilir hale gelebilir (altın). Normal ölçeklerde kimyasal olarak etkisiz olan altın gibi bir malzeme, nano ölçeklerde güçlü bir kimyasal katalizör görevi görebilir. Nanoteknolojiye duyulan ilginin büyük bir kısmı, maddenin nano ölçekte sergilediği bu kuantum ve yüzey olaylarından kaynaklanmaktadır. ⓘ
Basitten karmaşığa: moleküler bir bakış açısı
Modern sentetik kimya, küçük molekülleri neredeyse her yapıda hazırlamanın mümkün olduğu bir noktaya ulaşmıştır. Bu yöntemler günümüzde farmasötikler veya ticari polimerler gibi çok çeşitli faydalı kimyasalların üretiminde kullanılmaktadır. Bu yetenek, bu tür bir kontrolü bir sonraki daha büyük seviyeye genişletme sorusunu gündeme getirmekte ve bu tek molekülleri iyi tanımlanmış bir şekilde düzenlenmiş birçok molekülden oluşan supramoleküler düzenekler halinde bir araya getirmek için yöntemler aramaktadır. ⓘ
Bu yaklaşımlar, aşağıdan yukarıya bir yaklaşımla kendilerini otomatik olarak bazı yararlı konformasyonlara düzenlemek için moleküler kendi kendine montaj ve/veya supramoleküler kimya kavramlarını kullanır. Moleküler tanıma kavramı özellikle önemlidir: moleküller, kovalent olmayan moleküller arası kuvvetler nedeniyle belirli bir konfigürasyon veya düzenlemenin tercih edileceği şekilde tasarlanabilir. Watson-Crick baz eşleştirme kuralları, bir enzimin tek bir substrata hedeflenmesi veya proteinin kendisinin spesifik katlanması gibi bunun doğrudan bir sonucudur. Böylece, iki veya daha fazla bileşen birbirini tamamlayıcı ve karşılıklı olarak çekici olacak şekilde tasarlanabilir, böylece daha karmaşık ve kullanışlı bir bütün oluştururlar. ⓘ
Bu tür aşağıdan yukarıya yaklaşımlar, cihazları paralel olarak üretebilmeli ve yukarıdan aşağıya yöntemlerden çok daha ucuz olmalıdır, ancak istenen montajın boyutu ve karmaşıklığı arttıkça potansiyel olarak bunaltıcı olabilir. Çoğu faydalı yapı, atomların karmaşık ve termodinamik olarak olası olmayan düzenlemelerini gerektirir. Bununla birlikte, biyolojide moleküler tanımaya dayalı birçok kendi kendine montaj örneği vardır, özellikle Watson-Crick baz eşleşmesi ve enzim-substrat etkileşimleri. Nanoteknolojinin önündeki zorluk, bu prensiplerin doğal yapılara ek olarak yeni yapılar tasarlamak için kullanılıp kullanılamayacağıdır. ⓘ
Moleküler nanoteknoloji: uzun vadeli bir bakış
Bazen moleküler üretim olarak da adlandırılan moleküler nanoteknoloji, moleküler ölçekte çalışan mühendislik ürünü nanosistemleri (nano ölçekli makineler) tanımlamaktadır. Moleküler nanoteknoloji özellikle, mekanosentez ilkelerini kullanarak istenen bir yapıyı veya cihazı atom atom üretebilen bir makine olan moleküler birleştirici ile ilişkilidir. Üretken nanosistemler bağlamında üretim, karbon nanotüpler ve nanopartiküller gibi nanomalzemeleri üretmek için kullanılan geleneksel teknolojilerle ilgili değildir ve bunlardan açıkça ayırt edilmelidir. ⓘ
"Nanoteknoloji" terimi Eric Drexler tarafından bağımsız olarak ortaya atılıp popülerleştirildiğinde (o sırada Norio Taniguchi tarafından daha önce kullanıldığından habersizdi) moleküler makine sistemlerine dayalı gelecekteki bir üretim teknolojisine atıfta bulunuyordu. Öncül, geleneksel makine bileşenlerinin moleküler ölçekli biyolojik analoglarının moleküler makinelerin mümkün olduğunu göstermesiydi: biyolojide bulunan sayısız örnekle, sofistike, stokastik olarak optimize edilmiş biyolojik makinelerin üretilebileceği bilinmektedir. ⓘ
Nanoteknolojideki gelişmelerin, belki de biyomimetik ilkeler kullanılarak başka yollarla yapımlarını mümkün kılacağı umulmaktadır. Bununla birlikte, Drexler ve diğer araştırmacılar, ileri nanoteknolojinin, belki başlangıçta biyomimetik yollarla uygulanmasına rağmen, nihayetinde makine mühendisliği ilkelerine, yani bu bileşenlerin (dişliler, rulmanlar, motorlar ve yapısal elemanlar gibi) mekanik işlevselliğine dayanan ve atomik spesifikasyona göre programlanabilir, konumsal montajı mümkün kılacak bir üretim teknolojisine dayanabileceğini öne sürmüşlerdir. Örnek tasarımların fizik ve mühendislik performansı Drexler'in Nanosystems adlı kitabında analiz edilmiştir. ⓘ
Genel olarak atomik ölçekte cihazların montajı çok zordur, çünkü atomları benzer boyut ve yapışkanlıktaki diğer atomların üzerine yerleştirmek gerekir. Carlo Montemagno tarafından ortaya atılan bir başka görüşe göre, gelecekteki nanosistemler silikon teknolojisi ve biyolojik moleküler makinelerin melezleri olacaktır. Richard Smalley, tek tek moleküllerin mekanik olarak manipüle edilmesindeki zorluklar nedeniyle mekanosentezin imkansız olduğunu savunmuştur. ⓘ
Bu durum 2003 yılında ACS yayını Chemical & Engineering News'de bir mektup teatisine yol açmıştır. Biyoloji, moleküler makine sistemlerinin mümkün olduğunu açıkça gösterse de, biyolojik olmayan moleküler makineler bugün sadece emekleme aşamasındadır. Biyolojik olmayan moleküler makineler üzerine yapılan araştırmaların liderleri Dr. Alex Zettl ve Lawrence Berkeley Laboratuarları ve UC Berkeley'deki meslektaşlarıdır.[1] Hareketi değişen voltajla masaüstünden kontrol edilen en az üç farklı moleküler cihaz inşa etmişlerdir: bir nanotüp nanomotor, bir moleküler aktüatör ve bir nanoelektromekanik gevşeme osilatörü. Daha fazla örnek için nanotüp nanomotora bakınız. ⓘ
Konumsal moleküler montajın mümkün olduğunu gösteren bir deney 1999 yılında Cornell Üniversitesi'nde Ho ve Lee tarafından gerçekleştirilmiştir. Tek bir karbon monoksit molekülünü (CO) düz bir gümüş kristali üzerinde duran tek bir demir atomuna (Fe) taşımak için taramalı tünelleme mikroskobu kullandılar ve bir voltaj uygulayarak CO'yu Fe'ye kimyasal olarak bağladılar. ⓘ
Güncel araştırma
Nanomalzemeler
Nanomalzeme alanı, nano ölçekli boyutlarından kaynaklanan benzersiz özelliklere sahip malzemeleri geliştiren veya inceleyen alt alanları içerir.
- Arayüz ve kolloid bilimi, karbon nanotüpler ve diğer fullerenler ve çeşitli nanopartiküller ve nanorodlar gibi nanoteknolojide yararlı olabilecek birçok malzemenin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Hızlı iyon taşıma özelliğine sahip nanomalzemeler nanoiyonik ve nanoelektronik ile de ilgilidir.
- Nano ölçekli malzemeler toplu uygulamalar için de kullanılabilir; nanoteknolojinin mevcut ticari uygulamalarının çoğu bu türdendir.
- Bu malzemelerin tıbbi uygulamalar için kullanılmasında ilerleme kaydedilmiştir; bkz.
- Nanopillar gibi nano ölçekli malzemeler bazen geleneksel silikon güneş pillerinin maliyetiyle mücadele eden güneş pillerinde kullanılmaktadır.
- Ekran teknolojisi, aydınlatma, güneş pilleri ve biyolojik görüntüleme gibi yeni nesil ürünlerde kullanılmak üzere yarı iletken nanoparçacıkları içeren uygulamaların geliştirilmesi; bkz. kuantum noktaları.
- Nanomalzemelerin son uygulamaları arasında doku mühendisliği, ilaç dağıtımı, antibakteriyeller ve biyosensörler gibi bir dizi biyomedikal uygulama yer almaktadır. ⓘ
Nanomateryaller alanı, nano-ölçek boyutlarından kaynaklanan eşsiz özelliklere sahip materyaller üzerine çalışan ya da bu materyalleri geliştiren alt alanlar içerir. ⓘ
Aşağıdan yukarıya yaklaşımlar
Bunlar daha küçük bileşenleri daha karmaşık düzenekler halinde düzenlemeye çalışır.
- DNA nanoteknolojisi, DNA ve diğer nükleik asitlerden iyi tanımlanmış yapılar oluşturmak için Watson-Crick baz eşleşmesinin özgüllüğünü kullanır.
- "Klasik" kimyasal sentez (inorganik ve organik sentez) alanındaki yaklaşımlar da iyi tanımlanmış şekle sahip moleküller (örneğin bis-peptitler) tasarlamayı amaçlamaktadır.
- Daha genel olarak, moleküler öz-montaj, supramoleküler kimya ve özellikle moleküler tanıma kavramlarını kullanarak, tek moleküllü bileşenlerin kendilerini otomatik olarak bazı yararlı konformasyonlara göre düzenlemelerini sağlamayı amaçlamaktadır.
- Atomik kuvvet mikroskobu uçları, daldırma kalemi nanolitografisi adı verilen bir işlemle bir kimyasalı istenen bir düzende bir yüzey üzerine biriktirmek için nano ölçekli bir "yazma kafası" olarak kullanılabilir. Bu teknik, nanolitografinin daha geniş alt alanına uymaktadır.
- Moleküler Işın Epitaksi, malzemelerin, özellikle de çip ve bilgi işlem uygulamalarında yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemelerin, yığınların, geçitlerin ve nanotel lazerlerin aşağıdan yukarıya montajına izin verir. ⓘ
Yukarıdan aşağıya yaklaşımlar
Bu yaklaşımlar, birleşimlerini oluşturmak için daha büyük aygıtları kullanarak daha küçük aygıtlar meydana getirmeye çalışır. ⓘ
- Mikroişlemci üretimi için geleneksel katı hal silikon yöntemlerinden türeyen birçok teknoloji, şimdi 100 nm’den küçük özellikler yaratma kapasitesine sahiptir, ki bu da nanoteknoloji tanımı altında incelenebilir. Piyasadaki dev manyetodirenç temelli hard diskler, atomik tabaka çökeltme teknikleri gibi bu tanıma uyar. Peter Grünberg ve Albert Fert 2007’de spintronik alanına katkılarından ve dev manyetodirenci keşfetmelerinden dolayı fizik alanında Nobel Ödülü almışlardır.
- Katı hal teknikleri, mikro elektro-mekanik sistemler (MEMS) ile alakalı nanoelektromekanik sistemler ya da NEMS olarak bilinen aygıtlar yapmak için de kullanılabilir.
- Odaklanmış iyon demetleri, materyali direkt olarak ortadan kaldırabilir ya da uygun öncül gazlar aynı zamanda uygulandığında madde çökeltebilir. Örneğin; iletim elektron mikroskobunda analiz için maddenin alt 100 nm bölümünü oluşturmak için düzenli olarak bu teknik kullanılır.
- Atomik kuvvet mikroskobu uçları, bir direnç oluşturmak için nano-ölçek “yazma başlığı” olarak kullanılabilir. Daha sonra bunu, yukarıdan aşağı yönteminde maddeyi ortadan kaldırmak için bir aşındırma aşaması takip edilir. ⓘ
Fonksiyonel yaklaşımlar
Bunlar, nasıl bir araya getirilebileceklerine bakılmaksızın istenen işlevselliğe sahip bileşenler geliştirmeyi amaçlamaktadır.
- Yakın zamanda sunulan manyetik nano zincirler gibi anizotropik süperparamanyetik malzemelerin sentezi için manyetik montaj.
- Moleküler ölçekli elektronikler, faydalı elektronik özelliklere sahip moleküller geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bunlar daha sonra bir nanoelektronik cihazda tek moleküllü bileşenler olarak kullanılabilir. Bir örnek için rotaxane'e bakınız.
- Sentetik kimyasal yöntemler, nano araba olarak adlandırılan araçlarda olduğu gibi sentetik moleküler motorlar yaratmak için de kullanılabilir. ⓘ
Bu yaklaşımlar, nasıl birleştiklerine dikkat etmeden istenilen işlevsellikte bileşenler geliştirmeye çalışır. ⓘ
Biyomimetik yaklaşımlar
- Biyonik veya biyomimikri, doğada bulunan biyolojik yöntemleri ve sistemleri, mühendislik sistemlerinin ve modern teknolojinin çalışmasına ve tasarımına uygulamayı amaçlamaktadır. Biyomineralizasyon, üzerinde çalışılan sistemlere bir örnektir.
- Biyonanoteknoloji, virüslerin ve lipid düzeneklerinin kullanımı da dahil olmak üzere nanoteknolojideki uygulamalar için biyomoleküllerin kullanılmasıdır. Nanoselüloz potansiyel bir toplu ölçek uygulamasıdır. ⓘ
Spekülatif
Bu alt alanlar nanoteknolojinin hangi buluşları yapabileceğini tahmin etmeye çalışır, ya da araştırmanın ilerleyebileceği bir süreç öne sürmeye çalışır. Bu alt alanlar; böyle buluşların nasıl yapılabildiği detaylarından çok nanoteknolojinin toplumsal sonuçlarına önem vererek nanoteknolojinin genel görünümüne odaklanır. ⓘ
- Moleküler nanoteknoloji, iyi şekilde kontrollü ve belirleyici yollarla tek moleküllerin kontrolünü içeren, önerilen bir yaklaşımdır. Bu, diğer alt alanlara göre daha teoriktir, ve önerdiği tekniklerin çoğu güncel kapasitelerin ötesindedir.
- Nanorobotik, nano-ölçekte çalışan bazı işlevselliğin kendi kendine yeten makinelerine odaklanır. Tıpta nanorobotik’i uygulamak için umutlar vardır, ama böyle aygıtların bazı dezavantajları yüzünden böyle bir şeyi yapmak kolay olmayabilir. Bununla beraber, gelecek ticari uygulamalara yönelik yeni nanoüretim aygıtları ile ilgili patentler sayesinde çığır açıcı materyaller ve yöntemlerde ilerleme kaydedilmiştir. Bu da ilgili nanobiyoelektronik kavramların kullanımı ile nanorobotlara doğru bir gelişmeye sürekli yardımcı olur.
- Üretici nanosistemler, diğer nanosistemlerin hassas parçalarını üreten karmaşık naosistemler olacak “nanosistem sistemleri”dir. Bunların yeni nano-ölçek oluşturma özelliklerini kullanmalarına gerek yoktur, ama üretimin temellerinin iyi anlamış olması gerekir. Maddenin ayrık (atomik) doğası ve üstel gelişme ihtimali nedeniyle, bu aşama diğer bir sanayi devriminin temeli olarak görülmektedir. ABD’deki National Nanotechnology Initiative’in mimarlarından biri olan Mihail Roco, Sanayi Devrimi’nin teknik ilerlemesine paralel gözüken dört nanoteknoloji durumu öne sürmüştür. Bunlar pasif nanoyapılardan aktif nanoaygıtlara, karmaşık nanomakinelere ve tamamen üretici nanosistemlere doğru ilerleyen durumlardır.
- Programlanabilir madde, özellikleri bilgi bilimi ve madde bilimi füzyonu ile dıştan, tersinden ve kolayca kontrol edilebilen materyaller tasarlamaya çalışır.
- Nanoteknoloji teriminin yaygınlığı ve medya yansıması nedeniyle, picoteknoloji ve femtoteknoloji kelimeleri nadiren ve informal olarak kullanılmalarına rağmen nanoteknolojinin benzeri olarak kullanılmaktadır. ⓘ
Nanomalzemelerde boyutsallık
Nanomalzemeler 0D, 1D, 2D ve 3D nanomalzemeler olarak sınıflandırılabilir. Boyutluluk, fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin karakteristiğinin belirlenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Boyutsallığın azalmasıyla birlikte yüzey/hacim oranında bir artış gözlenmektedir. Bu da daha küçük boyutlu nanomalzemelerin 3D nanomalzemelere kıyasla daha yüksek yüzey alanına sahip olduğunu göstermektedir. Son zamanlarda, iki boyutlu (2D) nanomalzemeler elektronik, biyomedikal, ilaç dağıtımı ve biyosensör uygulamaları için kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. ⓘ
Araçlar ve teknikler
Birkaç önemli modern gelişme vardır. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) nanoteknolojiyi başlatan tarama problarının iki erken versiyonudur. Taramalı prob mikroskobunun başka türleri de vardır. Kavramsal olarak 1961 yılında Marvin Minsky tarafından geliştirilen taramalı konfokal mikroskoba ve 1970'lerde Calvin Quate ve çalışma arkadaşları tarafından geliştirilen taramalı akustik mikroskoba (SAM) benzese de, yeni taramalı prob mikroskopları ses veya ışığın dalga boyu ile sınırlı olmadıkları için çok daha yüksek çözünürlüğe sahiptir. ⓘ
Tarama probunun ucu, nano yapıları manipüle etmek için de kullanılabilir (konumsal montaj adı verilen bir işlem). Özellik odaklı tarama metodolojisi, bu nanomanipülasyonları otomatik modda uygulamak için umut verici bir yol olabilir. Ancak, mikroskobun düşük tarama hızı nedeniyle bu hala yavaş bir süreçtir. ⓘ
Optik litografi, X-ışını litografisi, daldırma kalem nanolitografisi, elektron ışını litografisi veya nanoimprint litografi gibi çeşitli nanolitografi teknikleri de geliştirilmiştir. Litografi, yığın halindeki bir malzemenin boyutunun nano ölçekte bir desene indirgendiği yukarıdan aşağıya bir üretim tekniğidir. ⓘ
Nanoteknolojik tekniklerin bir diğer grubu, nanotüp ve nanotellerin imalatı için kullanılanları, derin ultraviyole litografi, elektron ışını litografisi, odaklanmış iyon ışını işleme, nanoimprint litografi, atomik katman biriktirme ve moleküler buhar biriktirme gibi yarı iletken imalatında kullanılanları ve ayrıca di-blok kopolimerleri kullananlar gibi moleküler kendi kendine montaj tekniklerini içerir. Bu tekniklerin öncüleri nanoteknoloji çağından önce ortaya çıkmıştır ve sadece nanoteknoloji yaratmak amacıyla geliştirilen ve nanoteknoloji araştırmalarının sonucu olan tekniklerden ziyade bilimsel ilerlemelerin gelişimindeki uzantılardır. ⓘ
Yukarıdan aşağıya yaklaşımı, nano cihazların, tıpkı imal edilen ürünler gibi aşamalı olarak parça parça inşa edilmesini öngörmektedir. Taramalı prob mikroskobu, nanomalzemelerin hem karakterizasyonu hem de sentezi için önemli bir tekniktir. Atomik kuvvet mikroskopları ve taramalı tünelleme mikroskopları yüzeylere bakmak ve atomları hareket ettirmek için kullanılabilir. Bu mikroskoplar için farklı uçlar tasarlayarak, yüzeylerdeki yapıları oymak ve kendi kendine bir araya gelen yapıları yönlendirmeye yardımcı olmak için kullanılabilirler. Örneğin, özellik odaklı tarama yaklaşımı kullanılarak, atomlar veya moleküller taramalı prob mikroskobu teknikleri ile bir yüzey üzerinde hareket ettirilebilir. Şu anda, seri üretim için pahalı ve zaman alıcıdır ancak laboratuvar deneyleri için çok uygundur. ⓘ
Buna karşılık, aşağıdan yukarıya teknikler daha büyük yapıları atom atom veya molekül molekül inşa eder veya büyütür. Bu teknikler kimyasal sentez, kendi kendine montaj ve konumsal montajı içerir. Çift polarizasyonlu interferometri, kendi kendine monte edilen ince filmlerin karakterizasyonu için uygun bir araçtır. Aşağıdan yukarıya yaklaşımının bir başka çeşidi de moleküler ışın epitaksisi ya da MBE'dir. Bell Telephone Laboratories'deki John R. Arthur. Alfred Y. Cho ve Art C. Gossard gibi araştırmacılar 1960'ların sonu ve 1970'lerde MBE'yi bir araştırma aracı olarak geliştirmiş ve uygulamışlardır. MBE ile yapılan numuneler, 1998 Nobel Fizik Ödülü'nün verildiği kesirli kuantum Hall etkisinin keşfinde kilit rol oynamıştır. MBE, bilim insanlarının atomik olarak hassas atom katmanları oluşturmasına ve bu süreçte karmaşık yapılar inşa etmesine olanak tanır. Yarı iletkenler üzerine yapılan araştırmalar için önemli olan MBE, yeni gelişmekte olan spintronik alanı için numune ve cihaz yapımında da yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ
Bununla birlikte, ultra deforme olabilen, strese duyarlı Transfersome vezikülleri gibi duyarlı nanomalzemelere dayanan yeni terapötik ürünler geliştirilme aşamasındadır ve bazı ülkelerde insan kullanımı için onaylanmıştır. ⓘ
Araştırma ve geliştirme
Potansiyel uygulamaların çeşitliliği nedeniyle (endüstriyel ve askeri dahil), hükümetler nanoteknoloji araştırmalarına milyarlarca dolar yatırım yapmıştır. ABD, 2012'den önce Ulusal Nanoteknoloji Girişimi ile 3,7 milyar dolar, Avrupa Birliği 1,2 milyar dolar ve Japonya 750 milyon dolar yatırım yapmıştır. Altmıştan fazla ülke 2001 ve 2004 yılları arasında nanoteknoloji araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) programları oluşturmuştur. 2012 yılında ABD ve AB'nin her biri nanoteknoloji araştırmalarına 2,1 milyar dolar yatırım yaparken, bunu 1,2 milyar dolarla Japonya izlemiştir. Küresel yatırım 2012 yılında 7,9 milyar dolara ulaşmıştır. Hükümet finansmanı, 2012 yılında 10 milyar dolar olan nanoteknoloji araştırmalarına yönelik kurumsal Ar-Ge harcamaları tarafından aşılmıştır. En büyük kurumsal Ar-Ge harcamaları 7,1 milyar dolarla ABD, Japonya ve Almanya'dan gelmiştir. ⓘ
| Rütbe | Organizasyon | Ülke | İlk patentler ⓘ |
|---|---|---|---|
| 1 | Samsung Electronics | Güney Kore | 2,578 |
| 2 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | Japonya | 1,490 |
| 3 | IBM | Birleşik Devletler | 1,360 |
| 4 | Toshiba | Japonya | 1,298 |
| 5 | Canon Inc. | Japonya | 1,162 |
| 6 | Hitachi | Japonya | 1,100 |
| 7 | Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley | Birleşik Devletler | 1,055 |
| 8 | Panasonic | Japonya | 1,047 |
| 9 | Hewlett-Packard | Birleşik Devletler | 880 |
| 10 | TDK | Japonya | 839 |
| Rütbe | Organizasyon | Ülke | Bilimsel yayınlar ⓘ |
|---|---|---|---|
| 1 | Çin Bilimler Akademisi | Çin | 29,591 |
| 2 | Rusya Bilimler Akademisi | Rusya | 12,543 |
| 3 | Centre national de la recherche scientifique | Fransa | 8,105 |
| 4 | Tokyo Üniversitesi | Japonya | 6,932 |
| 5 | Osaka Üniversitesi | Japonya | 6,613 |
| 6 | Tohoku Üniversitesi | Japonya | 6,266 |
| 7 | Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley | Birleşik Devletler | 5,936 |
| 8 | İspanya Ulusal Araştırma Konseyi | İspanya | 5,585 |
| 9 | Illinois Üniversitesi | Birleşik Devletler | 5,580 |
| 10 | MIT | Birleşik Devletler | 5,567 |
Uygulamalar
21 Ağustos 2008 itibariyle, Gelişmekte Olan Nanoteknolojiler Projesi, 800'den fazla üretici tarafından tanımlanmış nanoteknoloji ürününün kamuya açık olduğunu ve haftada 3-4 yeni ürünün piyasaya çıktığını tahmin etmektedir. Proje tüm ürünleri kamuya açık çevrimiçi bir veritabanında listelemektedir. Çoğu uygulama, güneş kremi, kozmetik, yüzey kaplamaları ve bazı gıda ürünlerinde titanyum dioksit; geko bandı üretmek için kullanılan karbon allotropları; gıda ambalajları, giysiler, dezenfektanlar ve ev aletlerinde gümüş; güneş kremleri ve kozmetik, yüzey kaplamaları, boyalar ve dış mekan mobilya verniklerinde çinko oksit ve yakıt katalizörü olarak seryum oksit içeren "birinci nesil" pasif nanomalzemelerin kullanımıyla sınırlıdır. ⓘ
Diğer uygulamalar tenis toplarının daha uzun ömürlü olmasını, golf toplarının daha düz uçmasını ve hatta bowling toplarının daha dayanıklı ve daha sert bir yüzeye sahip olmasını sağlamaktadır. Pantolonlar ve çoraplar, daha uzun süre dayanmaları ve yazın insanları serin tutmaları için nanoteknoloji ile aşılanmıştır. Kesiklerin daha hızlı iyileşmesi için bandajlara gümüş nanopartiküller aşılanıyor. Video oyun konsolları ve kişisel bilgisayarlar nanoteknoloji sayesinde daha ucuz, daha hızlı hale gelebilir ve daha fazla bellek içerebilir. Ayrıca, çip üzerinde optik kuantum bilgi işleme ve pikosaniye bilgi aktarımı gibi ışıkla hesaplama için yapılar inşa etmek. ⓘ
Nanoteknoloji, pratisyen hekim muayenehanesi ve ev gibi yerlerde mevcut tıbbi uygulamaları daha ucuz ve kullanımı daha kolay hale getirme yeteneğine sahip olabilir. Otomobiller nanomalzemelerle üretilmektedir, böylece gelecekte daha az metale ve daha az yakıta ihtiyaç duyabileceklerdir. ⓘ
Bilim insanları şimdi daha temiz egzoz dumanına sahip dizel motorlar geliştirmek amacıyla nanoteknolojiye yöneliyor. Platin şu anda bu motorlarda dizel motor katalizörü olarak kullanılmaktadır. Katalizör, egzoz dumanı partiküllerini temizleyen şeydir. Önce NOx moleküllerinden nitrojen atomlarını alarak oksijeni serbest bırakmak için bir indirgeme katalizörü kullanılır. Daha sonra oksidasyon katalizörü hidrokarbonları ve karbon monoksiti oksitleyerek karbon dioksit ve su oluşturur. Platin hem indirgeme hem de oksidasyon katalizörlerinde kullanılır. Ancak platin kullanımı pahalı ve sürdürülebilir olmadığı için verimsizdir. Danimarkalı InnovationsFonden şirketi nanoteknoloji kullanarak yeni katalizör ikameleri arayışına 15 milyon DKK yatırım yaptı. 2014'ün sonbaharında başlatılan projenin amacı, yüzey alanını en üst düzeye çıkarmak ve gerekli malzeme miktarını en aza indirmektir. Nesneler yüzey enerjilerini en aza indirme eğilimindedir; örneğin iki damla su birleşerek tek bir damla oluşturacak ve yüzey alanını azaltacaktır. Katalizörün egzoz dumanına maruz kalan yüzey alanı maksimize edilirse, katalizörün verimliliği de maksimize edilmiş olur. Bu proje üzerinde çalışan ekip, birleşmeyecek nanoparçacıklar yaratmayı hedefliyor. Yüzey her optimize edildiğinde malzemeden tasarruf ediliyor. Böylece, bu nanopartiküllerin oluşturulması, elde edilen dizel motor katalizörünün etkinliğini artıracak - bu da daha temiz egzoz dumanına yol açacak - ve maliyeti düşürecektir. Ekip başarılı olduğu takdirde platin kullanımını %25 oranında azaltmayı umuyor. ⓘ
Nanoteknoloji, hızla gelişen Doku Mühendisliği alanında da önemli bir role sahiptir. İskeleleri tasarlarken, araştırmacılar bir hücrenin mikro çevresinin nano ölçekli özelliklerini taklit ederek farklılaşmasını uygun bir çizgiye yönlendirmeye çalışırlar. Örneğin, kemik büyümesini desteklemek için iskeleler oluştururken, araştırmacılar osteoklast rezorpsiyon çukurlarını taklit edebilirler. ⓘ
Araştırmacılar hamamböceklerinde hedeflenen ilaç dağıtımını sağlamak için mantıksal işlevleri yerine getirebilen DNA origami tabanlı nanobotları başarıyla kullandılar. Bu nanobotların hesaplama gücünün bir Commodore 64'ünkine kadar ölçeklendirilebileceği söyleniyor. ⓘ
Nanoelektronik
Ticari nanoelektronik yarı iletken cihaz üretimi 2010'larda başladı. SK Hynix 2013 yılında 16 nm'lik bir sürecin ticari seri üretimine, TSMC 16 nm'lik bir FinFET sürecinin üretimine ve Samsung Electronics 10 nm'lik bir sürecin üretimine başlamıştır. TSMC 2017'de 7 nm'lik bir sürecin üretimine, Samsung ise 2018'de 5 nm'lik bir sürecin üretimine başladı. 2019 yılında Samsung, 2021 yılına kadar 3 nm GAAFET sürecinin ticari üretimine yönelik planlarını açıkladı. ⓘ
Nanoelektronik yarı iletken belleklerin ticari üretimi de 2010'larda başladı. SK Hynix 2013 yılında 16 nm NAND flaş belleğin seri üretimine başladı ve Samsung 10 nm çok seviyeli hücre (MLC) NAND flaş belleğin üretimine başladı. TSMC, 2017 yılında 7 nm'lik bir süreç kullanarak SRAM bellek üretimine başladı. ⓘ
Çıkarımlar
İlgili alanı, nanotoksikoloji araştırması tarafından öne sürüldüğüne göre, nanomateryallerin kullanımının ve endüstriyel-ölçek üretiminin insan sağlığı ve çevre üzerindeki etkileridir. Bu nedenlerden dolayı bazı gruplar nanoteknolojinin devlet tarafından düzenlenmesini savunur. Diğerleri, fazla düzenlemenin, gerekli yeniliklerin gelişmesini ve bilimsel araştırmaları engelleyeceğini savunmaktadır. Kamu sağlık araştırma kuruluşları, örneğin National Institute for Occupational Safety and Health (Ulusal İş ve Güvenliği ve Sağlık Kuruluşu), nanoparçacıklara maruz kalmaktan kaynaklanan olası sağlık etkileri üzerine araştırma yapmaktadırlar. ⓘ
Bazı nanoparçacıkların istenmeyen sonuçları olabilir. Araştırmacılar, çoraplarda ayak kokusunu azaltmak için kullanılan bakteriyostatik gümüş parçacıkların yıkayınca bırakıldığını keşfetmişlerdir. O zaman bu parçacıklar atık suyun içinde kalır ve doğal ekosistemin, tarlaların ve atık arıtma işleminin önemli parçaları olan bakterilere zarar verebilir. ⓘ
ABD’de ve Birleşik Krallık’ta Center for Nanotechnology in Society (Toplum Nanoteknoloji Merkezi) tarafından gerçekleştirilen risk algısı üzerine kamu müzakerelerine göre katılımcılar nanoteknolojinin sağlık uygulamalarından çok enerji uygulamaları hakkında daha pozitiftiler. Sağlık uygulamaları fiyat ve ulaşılabilirlik gibi etik ve ahlaki ikilemler ortaya çıkarmaktadır. ⓘ
Woodrow Wilson Center’ın Project on Emerging Nanotechnologies (Yeni Gelişen Nanoteknoloji üzerine Proje)’ in yöneticisi David Rejeski gibi bilim adamları; başarılı ticarileştirmenin yeterli gözetim, risk araştırma stratejisi ve kamu katılımına bağlı olduğunu doğrulamışlardır. Berkeley, Kaliforniya ABD’de nanoteknoloji işleyişini düzenleyen tek şehirdir. Cambridge, Massachusetts 2008’de benzer bir yasa çıkarmayı düşündü, ancak sonunda reddetti. Hem nanoteknoloji uygulamaları hem araştırmalarıyla alakalı olarak nanoteknolojinin garantisi tartışmaya açıktır. Devlet nanoteknoloji düzenlemeleri olmadan, olası zararlar için özel sigortanın ulaşılabilirliği sorumlulukların tamamen devletleştirilmemesini sağlamak için gerekli görülmektedir. ⓘ
Sağlık ve çevresel kaygılar
Nanolifler, uçak kanatlarından tenis raketlerine kadar birçok alanda ve farklı ürünlerde kullanılmaktadır. Havadaki nanopartiküllerin ve nanoliflerin solunması, fibrozis gibi bir dizi akciğer hastalığına yol açabilir. Araştırmacılar, sıçanlar nanopartikülleri soluduğunda, partiküllerin beyne ve akciğerlere yerleştiğini, bunun da iltihaplanma ve stres tepkisi için biyobelirteçlerde önemli artışlara yol açtığını ve nanopartiküllerin tüysüz farelerde oksidatif stres yoluyla cilt yaşlanmasına neden olduğunu bulmuşlardır. ⓘ
UCLA Halk Sağlığı Okulu'nda iki yıl süren bir çalışma, nano-titanyum dioksit tüketen laboratuvar farelerinde "kanser, kalp hastalığı, nörolojik hastalık ve yaşlanma gibi insanın tüm büyük katilleriyle bağlantılı" derecede DNA ve kromozom hasarı olduğunu ortaya koymuştur. ⓘ
Nature Nanotechnology'de yakın zamanda yayınlanan önemli bir çalışma, "nanoteknoloji devriminin" poster çocuğu olan karbon nanotüplerin bazı formlarının yeterli miktarda solunması halinde asbest kadar zararlı olabileceğini öne sürmektedir. Karbon nanotüplerle ilgili makaleye katkıda bulunan İskoçya'nın Edinburgh kentindeki Mesleki Tıp Enstitüsü'nden Anthony Seaton, "Bazılarının muhtemelen mezotelyomaya neden olma potansiyeline sahip olduğunu biliyoruz. Dolayısıyla bu tür malzemelerin çok dikkatli bir şekilde ele alınması gerekiyor." Paull ve Lyons (2008), hükümetlerden gelecek özel bir düzenlemenin yokluğunda, mühendislik ürünü nanopartiküllerin gıdalardan hariç tutulması çağrısında bulunmuştur. Bir gazete makalesi, bir boya fabrikasındaki işçilerin ciddi akciğer hastalığına yakalandığını ve akciğerlerinde nanopartiküller bulunduğunu bildirmektedir. ⓘ
Düzenleme
Nanoteknoloji ile ilgili daha sıkı düzenlemelerin gerekmesi, insan sağlığına ve nanoteknolojinin güvenlik riskleriyle alakalı tartışmalar ile birlikte ortaya çıkmıştır. Nanoteknoloji düzenlemelerinden kimin sorumlu olduğu konusunda çok büyük bir tartışma vardır. Bazı düzenleme kurumları, bugünlerde nanoteknolojiyi var olan düzenlemeler üzerine “ekleyerek” bazı nanoteknoloji ürünlerini ve süreçlerini (değişik derecelerde) kapsamaktadır - bu düzenlemelerde açık bir şekilde boşluklar vardır. David (2008), bu eksikliklerle baş etme aşamalarını açıklayan düzenleyici bir yol haritası öne sürmüştür. ⓘ
Nanoparçacıkların ve nanotüplerin piyasaya sürülmesiyle alakalı riskleri kontrol eden ve değerlendiren bir düzenleyici sistemin eksikliği konusunda endişelenen yetkililer; deli dana hastalığı, talidomit, genetiği değiştirilmiş yiyecek, nükleer enerji, üreme teknolojileri, biyoteknoloji, ve asbest ile paralel gitmektedirler. Woodrow Wilson Center’ın Project on Emerging Nanotechnologies (Yeni Gelişen Nanoteknoloji üzerine Proje) ’in baş bilim danışmanı Dr. Andrew Maynard, insan sağlığı ve güvenli araştırma için yetersiz fon olduğu kararına varmıştır. Sonuç olarak, nanoteknolojiyle ilişkilendirilen güvenlik riskleri ve insan sağlığı ilgili sınırlı bir anlayış vardır. Sonuç itibarıyla, bazı akademikler, ihtiyatlılık ilkesinin daha sıkı uygulanması için çağrıda bulunmuşlardır. Bu ilke; gecikmiş pazarlama onayı, geliştirilmiş etiketleme ve bazı nanoteknoloji formlarıyla ilişkili ek güvenlik veri kalkınma gerekliliklerini içermektedir. ⓘ
The Royal Society raporu; imha, yok etme ve geri dönüşüm sırasında nanotüplerin veya nanoparçacıkların açığa çıkma riski olduğunu tespit etmiştir. Ayrıca bu rapor; genişletilmiş üretici sorumluluk sistemi altına düşen ürünlerin üreticilerinin bu maddelerin insan ve çevreye zararlarının nasıl minimuma indirileceğini belirten prosedürler yayınlaması gerektiğini önermektedir. Sorumlu yaşam döngüsü düzenlemesinin zorluklarını belirten the Institute for Food and Agricultural Standarts (Gıda ve Tarım Standartları Enstitüsü), nanoteknoloji araştırmaları ve gelişmeleri için standartların tüketici, çalışan ve çevresel standartlar ile entegre edilmesi gerektiğini öne sürmüştür. Ayrıca sivil toplum örgütlerinin ve diğer vatandaş gruplarının bu standartların gelişmesinde önemli bir rol oynadığını öne sürmüştür. ⓘ
The Center for Nanotechnology in Society (Toplum Nanoteknoloji Merkezi), insanların nanoteknolojiye farklı tepkiler gösterdiklerini ortaya çıkarmıştır. Tepkiler uygulamaya bağlıdır –kamu müzakerelerindeki katılımcılar nanoteknolojinin sağlıktan çok enerji için kullanımına karşı daha pozitiftiler. Bu da nano düzenlemeleri isteğinde bulunan herhangi bir halk teknoloji sektörüyle farklılık gösterebilir. ⓘ