Nanoteknoloji, kimya, biyoloji, fizik, malzeme bilimi gibi birçok bilim dalında yoğun araştırmalar yapılan, son derece küçük sistemlerin (nano ölçek) incelenmesi ve manipüle edilmesidir. Bu alanda yapılan çalışmalar malzeme bilimi ve mühendislik alanlarında büyük gelişmelere sebep olmuştur.
Nanoteknoloji çalışmalarının bilimsel literatür ve sanayide yerini alması henüz yeni bir gelişme olarak görülse de nanoparçacıklar tarih boyunca insanlar tarafından kullanılmaktaydı. Bunun bilinen en eski örneği Roma döneminden kalan bir kadeh olan 1600 yıllık Lycurgus Kupasıdır. Bu cam kadeh dikroik özelliktedir, dıştan bir ışık kaynağı ile aydınlatıldığında yeşil, içten bir ışık kaynağı ile aydınlatıldığında ise kırmızı renkte görülmektedir. Nanoteknoloji çalışmalarının yetersiz olduğu dönemlerde cam malzemelerde bu optik özelliğin görülmesi imkânsız olduğu düşünüldüğü için kadehin başka bir malzemeden yapıldığı düşünülmüştür. Ancak daha sonrasında yapılan çalışmalar 4. yüzyıldaki cam ustalarının bu tarz optik özellikleri kazandırmak için nanoparçacıkları kullandıklarını göstermiştir. Lycurgus Kupasındaki renk sihirbazlığının arkasında ise gümüş ve altın nanoparçacıkları vardır. Burada ilginç olan bir diğer durum, büyük kütle formunda parlak sarı renginde olan altının nano ölçekli formunda kırmızı renkte olmasıdır. Aynı mekanizma ile çalışan uygulamalar Avrupa katedrallerinin renkli pencerelerini elde etmek için de kullanılmıştır. Bu bilgiler, 20. yüzyılda henüz açıklanabilen mekanizmaların binlerce yıl öncesinde kullanılan uygulamalar olduğunu ispatladığı için oldukça şaşırtıcıdır.
Nanoteknoloji ile manipüle edilebilecek malzeme özellikleri optik özellikler ile sınırlı değildir, termal özellikleri de değişir. Hatta maddenin ayırt edici özelliklerinden olarak bilinen, değişmediği düşünülen erime sıcaklıklarının bile belli bir nano-boyutun altında değiştiği görülmüştür. Bunun arkasında yatan mekanizma nanomalzemelerin bulk (büyük ölçekli) malzemelere göre oldukça yüksek olan yüzey alanlarıdır. Bu son derece büyük yüzey alanları ısının malzeme üzerindeki etkisini artırır ve çok daha düşük sıcaklıklarda erime davranışının görülmesine sebep olur.
Malzemelerin tane boyutları küçüldükçe mukavemet ve sertliklerinin arttığı bilinmektedir. Bu durum nanomalzemelerde de geçerliliğini korur. Buna ek olarak nano-düzeyde manipüle edilen malzemelerin, bulk malzemelere göre malzeme hatası barındırma olasılığı daha düşüktür. Bunların sonucu olarak nanomalzemelerin mekanik özellikleri de daha yüksektir.
İstisnaları bulunsa da nanoteknoloji uygulamaları genelde malzemelerin elektriksel özelliklerinde bozulmalara yol açar. Bunun arkasındaki sebep bant enerji seviyelerindeki azalmadır. Elektrik iletkenliği atomların iletken bant enerji seviyelerinde elektron bulundurabilmelerinden kaynaklanır. Tek bir atom için elektronun bulunabileceği tek bir enerji seviyes bulunur. Ancak bulk (büyük ölçekli) malzemeler birçok atomdan meydana geldiği için iletken enerji seviyelerinde artış yaşanır ve iletkenlik özelliğinin artmasına sebep olur. Hatta metaller gibi yüksek elektrik iletkenliğine sahip malzemelerde bu örtüşme o kadar çoktur ki bir elektron denizinden bahsedilir. Ancak nanomalzemeler bulk malzemeler gibi atom çokluğuna sahip olmadığından iletken bantlarındaki enerji seviyeleri daha azdır, bu durum kötüleşmiş elektrik iletkenliğine yol açar.
Nanoteknoloji uygulamalarının malzeme bilimi üzerindeki büyüleyici etkileri tartışmasızdır, ancak henüz açıklanmayı ve geliştirilmeyi bekleyen birçok sırrı sakladığı da açıktır. Güneş kremlerinden çiplere çok geniş bir kullanım alanına sahip olan nanomalzemeler kuşkusuz gelecekte vazgeçilmezlerimizden olacaktır.
Nanoteknoloji mühendisliğinin Türkiye’de bulunduğu üniversitelere göz atmak için tıklayınız!