Okulda Nanoteknoloji Teach article

Author(s): Matthias Mallmann

Tercüme eden: Züleyha Türkoğlu ve Hikmet Geckil (İnönü Üniversitesi, Biyoloji Bölümü). NanoBioNet’den Matthias Mallmann nanoteknoknolojinin gerçekte ne olduğunu açıklıyor ve sınıf için iki nano-deneyi sunuyor.

Nanoteknoloji, bilim ve siyasette popüler bir sözcük oldu. Bu anahtar teknoloji, sadece tıp ve diğer alanlardaki önemli yeniliklerin kaynağı değil, aynı zamanda 21. yy’ ın temel tartışmalarından biri haline geldi. Avrupa üniversiteleri ve yüksek düzeydeki mesleki eğitim programları zaten bu teknolojiyi geniş ölçüde kapsamaktadır. Ancak, nanoteknoloji sözcüğüne birçok lise öğrencisi aşina olmasına rağmen, konu Avrupa okullarında geniş ölçüde öğretilmemektedir. Bu makale, Avrupa bilim öğretmenleri arasında nanoteknolojinin farkındalığını arttırmak için birkaç insiyatifi özetlemekte ve sınıf etkinliği olarak iki nanoteknoloji deneyi sunmaktadır.

Nanoteknoloji Nedir?

Medieval stained glass
window using nanotechnology
Image courtesy of NanoBioNet eV

Nanoteknoloji aslında yeni bir şey değildir. Bu teknoloji atom ve moleküllerin 10^-9 m (1 nanometre) boyutları ile ilgilidir. Esasen kimyacı, biyokimyacı ve hücre biyologları yüzyıllardır bu ölçekteki yapı ve varlıklarla çalışagelmişlerdir.

Nanoölçekte bir materyalin özellikleri değişebilir. Örneğin sertlik, elektrik iletkenliği, renk ya da materyallerin küçük parçacıklarının kimyasal reaktivitesi onların çapıyla ilişkilidir. Bu nedenle, parçacıkların boyutu 1-100 nm ye azaltarak spesifik bir işlevselliğe ulaşabilir.

İlk nanoteknoloji uygulamalarından biri, Orta Çağ boyunca vitray camlar için kullanılan yakut kırmızısı renktir. Bu renk, altının daha yaygın olarak bulunan katı formunun yerine nanopartikül formlarının kümelenmesinden kaynaklanır. Bu küçük altın parçacıkları uzun dalga boylu kırmızı ışığın geçmesine izin verirken, daha kısa dalga boylarına sahip sarı ve mavi ışığı bloke ederler. Bu sebeple renk, hem ilgili elemente (altın) hem de parçacıkların buyutuna bağlıdır; örneğin gümüş nanopartikülleri sarı renk verir.

Ancak günümüz için yeni olan şey, multidisipliner yaklaşımlarla bu varlıklara ‘bakma’ becerimizdir. 1980’lerin sonunda geliştirilen atomik kuvvet mikroskobu, bilim adamlarına nanometrik ölçekteki yapıları görme imkanı tanırken, taramalı prob mikroskopisi tekniği tek atomların bile araştırılmasını mümkün kılmıştır. Günümüzde biyologlarla kimyacılar hücre zarının sterik etkisini tartışabilmekte, fizikçiler ise bu etki ve etkileşimin in vivo olarak izlenmeesi için araçlar geliştirmektedirler. Nanopartiküller ilaç endüstrisinde (vücudun ihtiyaç duyulan kısımlarına aktif ajanlar dağıtmada), kozmetiklerin ve emülsiyon boyaların ve katalizörlerin optimal üretiminde önemli bir roller oynarlar. Bu nedenle nanoteknoloji, tüm doğa bilimlerini bir araya getirmiş ve farklı disiplinler arasında köprüler kurmuştur.

Okullar için öncelikler

**Students at the Saarlab laboratory**
Image courtesy of Lehrstuhl für
physikalische Chemie, Universität
des Saarlandes

Yaygın olarak sadece ulusal dilde yayınlanmış olsalar da, bilim öğretmenlerine nanoteknolojiyi tanıtmada yardımcı olmak için bazı materyaller mevcuttur. Örneğin, Alman Saarlab Initiative^w1 okuldaki bütün sınıflar için laboratuvar günleri düzenlerken, bazı Avrupa bilim müzeleri ve bilim merkezleri^w2 nanoteknoloji hakkında halka açık sergiler düzenlemektedir. Bu bağlamda, Alman Nanotruck^w3 gibi kuruluşlar halka açık gezici sergiler düzenleyerek insanları konuyla ilgili bilgilendirmektedir. Cambridge Üniversitesi^w4 gibi bazı üniversiteler okul, seminer, interaktif ders, işyerlerini ziyaret gibi faaliyetlerele konu hakkında bilgi sunmaktadır. Ayrıca okullar ve öğrenciler için bilgi, oyun ve film sağlayan pek çok online kaynak bulunmaktadır^w5.

Bu boşluğu doldurmak için NanoBioNet eV^w6, öğretmenler için sadece eğitim ve mesleki kursları sağlamakla kalmadı aynı zamanda nanoteknoloji hakkında okuldaki öğrencileri eğitmek için çok dilli (Almanca, İngilizce, Fransızca) deneysel malzemeler (NanoSchoolBox^w7) geliştirdi. NanoSchoolBox’taki deneylerin bazıları konuyu göstermek için uygundur; diğerleri çok fazla hazırlığa gerek duymaksızın öğretmenlerin gözetiminde uygulanabilir.

Deneysel okul malzemesi, aşağıdaki konularla ilgili 14 deney ve beş gösteri içermektedir:

Nanotabakaların teknik uygulamaları ve lotus etkisi
Nanoteknoloji sayesinde işlevsellik (nanoteknolojik kaplamaların farklı etkilerini gösterme, örneğin çizilme direnci, indiyum kalay oksit sayesinde elektrik iletkenliğinde artma ve yangından koruma)
Nanoteknolojide titanyum dioksidin kullanımı
Ferrofluidler
Nanoölçekli altın kümeleri

Deneyler her ne kadar özellikle kimya derslerine yönelik olsalar da, nanoteknolojinin interdisipliner doğası, bu uygulamaların bazılarının fizik ve biyoloji sınıfları için uygun olduğu anlamına gelir. Aşağıda iki örnek bulunmaktadır.

Ferrofluidler

Diagram showing the composition
of ferrofluid particles
Image courtesy of NanoBioNet eV

**Magnetic field lines**
Image courtesy of NanoBioNet eV

Hidrokarbon bir sıvıda süspansyonu yapılan kobalt, nikel veya demirde olduğu gibi, ferrofluidler aşırı küçük ferromanyetik partiküllerin koloidal dağılımlarıdır (yani, dış manyetik alanlar tarafından kalıcı olarak magnetize edilebilen parçacıklar). Bir araya topaklanıp yığınlar oluşturmalarını engellemek için parçacıklar sürfaktanlarla (yüzey etkin maddelerle) kaplanır. Ferrofluidler sıvı formda manyetik karakter gösteren yegâne materyallerdir.

NanoSchoolBox kiti hem deneyi gerçekleştirmek için ferrofluid, hem de laboratuarda kendi ferrofluidlerinizi nasıl yapabileceğinize dair açıklamalar içermektedir. Ferrofluidler FerroTec GmbH^w8’dan da sağlanabilir.

Bu basit deneyde, ferromanyetik partiküller bir mıknatıs etrafındaki manyetik alan hatlarında kendilerini sıralarlar ve böylece ferromanyetik partiküller manyetik alanı görünür yaparlar.

Materyaller

Ferrofluid
Ağzı kıvrımlı cam tüp
Yüzey aktif madde ( sürfaktan)
Mıknatıs
Pipet
Su

Yöntem

Tüpün dörtte üçünü su ile doldur ve 2-5 damla sürfaktan ekle.
Pipetle dikkatlice birkaç damla ferrofluid ekle. Ferrofluid tüpün dibinde çökelir.
Tüpü sıkıca kapat.
Mıknatısı ferrofluide yaklaştır.

Parçacıklar (partiküller) manyetik alanda kendilerini sıralamaya çalıştıklarında “kirpi” benzeri tipik uzantılar oluşur. Bu dikenler manyetik alan hatlarına tekabül eder (bkz. üstteki görüntüler). Sıvıların yüzey gerilimi ve yerçekimi, manyetik alana karşı koyar. Üç kuvvete bağlı olarak bu durum, sıvıda düzenli yapılar oluşması ile sonuçlanır.

Mıknatıs yardımıyla ferrofluidi suyun içerisinde hareket ettirmeye çalışın. Mıknatısın ferrofluidin yüzeyine paralel ya da dikey olmasına bağlı olarak, manyetik alanların yönü değişir ve bunun sonucu olarak sıvının yönü de değişir.
Ferrofluidi suda dağıtmak için tüpü yavaşça sallayın. Ferroparçacıklar erimediği için sonunda dibe çökerler. Bu süreci bir mıknatısla hızlandırarak güzel etkiler gözlemleyebilirsiniz. Bunu yapmak için mıknatısı tüpün yanına hızlıca yaklaştırıp geri çekin. Bu şekilde ferrofluidleri hızlandırıp kümeler, çizgiler ve bulutsu yapılar üretebilirsiniz.

Güvenlik notları

Ferrofluidler temiz bir ortamda ve dikkatle ele alınmalı çünkü bu maddeler kalıcı lekeler bırakırlar.
Laboratuvar önlüğü, eldiven, koruyucu gözlük giyilmeli, eğer cilt bir ferrofluidle temas ederse o alan sabunla ve bol su ile yıkanmalı.
Buharlaşmayı önlemek için ferrofluidleri kapalı kaplarda tutulmalısınız.
Ferrofluidler ve bunlarla kirlenen malzemeler motor yağı gibi muamele edilmeli (yani, bir toplama noktası ya da tehlikeli atıkların toplandığı bir yere bırakılmalıdır), lavabolara dökülmemelidir.

Nanoölçek altın

**Pregnancy test strip**
Image courtesy of kimkole / iStockphoto

Bilim adamları, biyomolekülleri ortaya çıkarmak için altın parçacıklarının ışığı emici (soğurucu) özelliklerini kullanırlar. Örneğin, antikorlar altın parçacıklarıyla işaretlenebilirler. Beyaz bir ışık onların üzerine verildiğinde, metal parçacıkların kırmızı rengi görünür. Evde yapılan bazı gebelik testleri bu mantığa dayanır. Burada, altın parçacıkları test şeridi üzerinde hassas bir şekilde yayılmıştır.

Örneğin UltiMed® gebelik testi, gebeliğin erken dönemlerinde uterusun iç zarı ve döllenmiş yumurta tarafından yapılıp salınan insan koryonik gonadotropin (hCG) hormonunu belirleme prensibine dayanır. hCG, iki alt birimden oluşur: a ve b. Test şeridinde, hCG’nin a altbirimleri sabitlenir ve gebeliği gösteren bir kırmızıçizgi şeklinde kendini ortaya koyar. Şeridin başka yerinde, hCG’nin b altbirimlerine spesifik olan koloidal altın parçacıkları ile işarteli monoklonal antikorlar bulunur.

Şerit idrara daldırıldığında sıvı, kılcal hareketlerle altın işarteli partiküllerin şerit boyunca hereketine imkân tanır. Eğer idrar hCG içeriyorsa (yani, kadın hamile ise) hCG’nin b altbirimleri altın işareteli partiküllere bağlanır. Altına bağlanmış b altbirimleri, sabitlenmiş olan a altbirimlerine ulaştığı zaman, a ve b altbirimleri birbirine bağlanarak bir altınhCG kompleksi oluştururlar. Eğer hCG’nin konsantrasyonu yeterince yüksekse, kompleks kadının hamile olduğunu gösteren kırmızı bir çizgi olarak görünür. Ortamdaki diğer fazla altın partikülleri ikinci çizgiye bağlanır ve testin (pozitif ya da negatif) doğru gerçekleştiğini gösterirler.

Aşağıdaki deneyde, tipik yakut kırmızısı rengi ile kolayca ayırt edilebilen nanoölçekli altın kümeler üreteceğiz. Burada tanımlanan nanoölçekli altın üretmenin bir yolu, sitrat metodudur. Bu metot, solüsyonda koloidal altın veya altın kümeleri üretmeyi kapsar.

Bir küme ya da nanopartikül 3 ila 50,000 atomun toplamıdır. Altın nanopartiküllerinin çapı genellikle 12-18 nm’dir. Eğer altın kümeleri üç boyutlu başka bir fiziksel ortamda dağıtılırsa bütün sistem bir kolloid olarak bilinir.

**Chemical equation for the production of gold clusters**
Image courtesy of Nicola Graf

Deney tetrachloraurate ile gerçekleştirilen bir redoks reaksiyonuna dayanır (bu madde aynı zamanda tetrakloraurik (altın) asit veya tetrakloraurik (III) asit trihhidtart (III) olarak da bilinir). Bu redoks (indirgenme-yükseltgenme) reaksiyonunda altın iyonları atomik altına indirgenir ve dolayısı ile atomik altın kümleri oluşur. İndirgeyici sodyum sitrat (trinatriumsitrat dihidrat olarak da bilinir), sadece altını indirgemekle kalmaz aynı zamanda oluşan altın kümelerinin kararlı halde tutulmasını da sağlar.

İndirgeyicinin eklenmesi ile metal iyonlarının atomik koagülasyonu (kümelenmesi) durdurulur ve sonuç bir ligand kılıfla kaplanmış koloidal bir kümedir.

Bu kolloidler Tyndall etkisiyle belirlenir. Bu durum, ışık koloidal bir süspansiyon boyunca geçirildiği zaman görülür: Görünen ışık, süspansiyon halinde olan ve çapları ışığın dalga boyu ile aynı olan (400-800 nm) mikroskopik küçük parçacıklar (partiküller) tarafından dağıtıldığından, ışık yolu görülebilir. Bunun tersine, ışık kolloidler (ör., mürekkep) içermeyen bir solüsyondan geçirildiği zaman, dağılmadan tamamen geçer bu yüzden ışık yolu görünmez.