|
||
Karbon nanotüpler   Karbon tüpün atom yapısı; (a) Grafitin bal peteği görünümünde atom tabakası. Karbon atomları altıgenlerin köşelerinde yer alıyor. Karbon nanotüp, bu tabakanın bir silindir üzerine sürekli bir şekilde sarılmasıyla elde edilir. Kırmzı renkle gösterilen sarmal vektörü C, onun uzunluğunu ya da tüpün çevresini ve sarmal açısını belirleyen (n,m) ikilisiyle tanımlanmakta. (b) Bir karbon nanotüpün TTM görüntüsü. 1991 yılında karbon nanotüplerin sentezlenmesiyle bazı nanoyapıların ne kadar farklı davranabilecekleri ve bu farklılıklardan çok değişik işlevlerin elde edilebileceği anlaşıldı. Karbon nanotüp, grafitin bal peteğini andıran atom düzleminin bir silindir üzerine hiç bir kusur oluşturmadan kesiksiz olarak sarılmış bir şekli olarak düşünülebilir. Yukarıdaki şekilde de görülebileceği gibi, karbon nanotüpler (n,m) tam sayılarıyla tanımlanmaktalar ve elektronik özellikler n ve m sayılarının değerine bağlı olarak değişmektedir. Örnek olarak, (n,0) yarıiletken tüpte bal peteği altıgenleri iki kenarı tüpün eksenine paralel olacak şekilde yönelmiştir. (n,n) tüplerinin tümüyse iletken bir karakter göstermektedir. Kısaca çaplarına ve (n,m) değerine bağlı olarak karbon nanotüpler çok farklı elektronik yapı da olabiliyor, yarıiletken olanların bant aralıkları da geniş bir aralıkta değişiyor. Ayrıca (n,0) yar›iletken tüpler radyal deformasyon altında iletkene dönüşmekteler. Bu özellik, normalde yarı iletken olan bir nanotüp boyunca çeşitli yerlere deformasyon uygulayarak metal-yarıiletken eklemleri gibi değişik elektronik aygıt yapımında kullanılabilmektedir. Karbon nanotüplerin bir başka ender özellikler de, eksenleri boyunca çelikten bile kat kat dirençli, radyal yöndeyse yüksek elastik özelliklere sahip olmalarıdır. Bu özellik, karbon nanotüplerin uzay asansöründe halat olarak kullanılması gibi fikirleri çağrıştırmışsa da, daha gerçekçi uygulamalar üzerine çalışmalar hızla artmaktadır. Karbon nanotüpler üzerinde çok sayıda kuramsal ve uygulamalı araştırmalar yapılmakta, ilginç prototipler geliştirilmektedir. Bunlardan biri, ortamda bulunan zehirli gazları algılayabilen nanotüp kullanarak yapılan bir gaz detektörü. Bu sayede, kilolarca ağırlığa sahip bir cihaz milimetre boyutlarına indirgenebilmiştir. Karbon nanotüplerin nanometre ölçeğindeki sivri uçlarında oluşan yüksek elektrik alanında kolaylıkla iyonize olabilen gaz atomlarının iyonizasyon enerjilerinden, gazın türü tayin ediliyor. Böyle bir detektör pille çalışabiliyor ve elbise yakasında taşınabiliyor.Diğer bir uygulamada iki platin tel üzerine konulan bir nanotüp, platin telle arasında oluşan kontak potansiyeli aracılığıyla transistor işlevi görüyor. Benzer yöntemlerle nanotransistör yapılması değişlik gruplar tarafından başarılmış olmasına karşın, bu tansistörlerin birbirleriyle bağlanıp bütünleşik devre yapılmasında henüz sorunlar var. Bu probleme İsrail’den ilginç bir çözüm önerildi: Buna, DNA’ya dayalı olarak yapılan transistörlerin kendi kendilerine yapılanıp çoğalabilme yeteneklerinin, bir şekilde aygıt entegrasyonunu sağlayabileceği düşünülüyor. Bütün olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleri yanında, dış ya da iç cidarlarına atom ya da moleküller soğurarak daha işlevsel hale getirilmeleri, karbon nanotüpleri araştırmada ilgi odağı haline getirmiş durumda. Nanoyapıların işlevsel hale getirilmesinin nanoteknolojide taşıdığı önemi Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü’ndeki araştırma grubumuzda kuantum mekaniğine dayalı olarak yaptığımız bazı kuramsal çalışma sonuçlarımızı özetleyerek göstermeye çalışacağım. Bunun için yarıiletken bir karbon nanotüp dış cidarına soğurulan titanyum (Ti) atomunu ele alalım. Bir geçiş elementi olan Ti kolaylıkla nanotüp cidarına bağlanıp güçlü bir bağ oluşturabiliyor. Bu güçlü bağ sayesinde Ti atomu, nanotüp yüzeyini düzgün olarak kaplayabilen ender bir element. Diğer elementlerse oluşturdukları zayıf bağlar nedeniyle tüp yüzeyinde topaklar oluşturuyorlar. Cidarlarını düzgün olarak kaplayan Ti atomları sayesinde, karbon nanotüp, teknolojik olarak önemli özellikler sergiliyor. Öncelikle, Ti atomları üzerinden taşınabilen akım sayesinde tüp, yüksek bir iletkenlik kazanıyor. Çapları nanometreden küçük olan bu iletken teller, aygıtların birbirine bağlanmasında kullanılabilecek. Ayrıca Ti atomlarıyla kaplanan bir tüp, yüksek değerlerde manyetik momente sahip oluyor. Daha da önemlisi, tüpün toplam manyetik momenti, tüpe ekseni boyunca elastik deformasyon uygulayınca ya da tüp üzerine yeni Ti atomları soğurunca önemli değişiklikler gösteriyor. Yüksek manyetik momente momente sahip olan Ti kaplanmış tüplerin nanomıknatıs, yüksek yoğunluklu bilgi depolayan küçük ölçekli sabit disk ve deformasyon ölçmeye yönelik ölçü aletleri yapımında kullanılması bekleniyor. Karbon nanotüpler, yüksek yüzeyhacim oranları nedeniyle hidrojen depolama için ideal malzeme konumundalar. Ancak hidrojen molekülü H2, nanotüp yüzeyine bağlanamamakta. Çok ilginçtir ki, nanotüp yüzeyine soğurulan her Ti atomu, dört H2 molekülünü aynı anda bağlayabiliyor; istenildiği zaman da serbest bırakabiliyor. Tüpün iç ve dış cidarlarına Ti atomu kaplayarak H2 depolama kapasitesinin çok yüksek değerlere çıkarmak mümkün. Kuramsal çalışmalardan, ABD’de NIST’ten (Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) Dr. Taner Yıldırım ile birlikte elde ettiğimiz bu sonuç, hidrojen depolama ve yakıt hücresi araştırmalarında adeta bir dönüm noktası oldu. Ti kaplanmış iletken tüplerden 2 ya da 3 boyutlu örgüler ya da ızgaralar oluşturularak, nanoaygıt ve transistorlardan bütünleşik (entegre) devre yapımında kullanılması öneriliyor. Ayrıca tüpleri eklem yerlerinden Ti atomuyla birbirine kaynatarak taç geometrisinde aygıtlar da yapılabilecek. Kuramsal çalışmalarımız, karbon dışından da alüminyum, silisyum, altın gibi elementlerin ve galyum arsenit gibi bileşiklerin de tüp yapısında kararlı kalabileceklerini göstermişti. Bu öngörülerin bir kısmı deneysel olarak gerçekleştirildi. Özellikle silisyum tüplerin moleküler elektronikte uygulama bulması beklenmiyor. İletken sarmal tüplerde oluşacak dönel akımların, tüpün merkezinde çok yüksek manyetik alanlar endüklemesi ve elektromıknatıs yapımına olanak vermesi düşünülüyor. |
||