Nanoteknoloji

Nanomalzeme boyutlarının karşılaştırılması

Nanoteknoloji, maddenin atomik, moleküler ayrıca supramoleküler seviyede kontrolüdür.

Nanoteknolojinin ayrıca bugün moleküler nanoteknoloji olarak bahsedilen en eski ve yaygın tanımı, tam olarak makroölçek ürünlerinin imalatı için atomların ve moleküllerin kontrolünün belirli bir amacını ifade etmektedir. Nanoteknolojinin daha genel tanımı sonradan National Nanotechnology Initiative tarafından yapılmıştır. National Nanotechnology Initiative, nanoteknolijiyi en az bir boyutunun büyüklüğü 1’den 100 nanometreye kadar olan maddenin kontrolü olarak tanımlar. Bu tanım şu gerçeği gösteriyor ki; kuantum mekaniği etkileri bu kuantum-alan ölçeğinde önemlidir. Bu yüzden tanım belirli bir teknolojik amaçtan çok, verilen büyüklük sınırının altında oluşan maddenin özel niteliklerini ele alan tüm teknoloji ve araştırma türlerini kapsayan bir araştırma kategorisine dönüştü. Bu yüzden “nanoteknolojileri”nin ve “nanoölçek teknolojileri"nin çoğul formunun ‘ortak özelliği büyüklük olan geniş bir dizi araştırma ve uygulamaları ifade ettiğine sıkça rastlanır. Potansiyel uygulamaların (endüstriyel ve askeri dahil) çeşitliliği yüzünden devletler nanoteknoloji araştırmaları için milyarlarca dolar yatırım yaptı. National Nanotechnology Initiative dolayısıyla ABD 3.7 milyar dolar yatırım yaptı. Avrupa Birliği 1,2 milyar dolar ve Japonya 750 milyon dolar yatırım yaptı.

Nanoteknoloji büyüklükle tanımlandığı için yer bilimi, organik kimya, moleküler biyoloji, yarı iletken fiziği, mikrofabrikasyon gibi bilim alanlarını içerir ve doğal olarak çok geniştir. İlgili araştırma ve uygulamalar da aynı şekilde çeşitlidirler. Atomik olmayan aygıt fiziğinin uzantılarından temelleri moleküler kendinden montaj olan tamamen yeni yaklaşımlara, nano ölçekteki boyutlarıyla yeni materyaller geliştirmekten atomik ölçekteki maddenin direkt kontrolüne kadar çeşitlilik gösterirler.

Bugünlerde bilim adamları nanoteknolojinin olası sonuçları üzerinde tartışıyorlar. Nanoteknoloji ilaç, elektronik, biyomalzeme ve enerji üretiminde olduğu gibi geniş uygulama yelpazesiyle birçok araç ve madde yaratabilir. Diğer yandan, nanoteknoloji her yeni teknolojinin yarattığı sorunların çoğunu yaratabilir; bunlara zehirlilik, nanomaddelerin çevresel etkisi ve bunların küresel ekonomiye olası etkisi ve çeşitli kıyamet günü senaryoları şüpheleri gibi kaygılar örnek verilebilir. Bu kaygılar savunma grupları ve hükûmet arasında nanoteknoloji için özel bir düzenlemenin garanti olup olmadığı konusunda tartışmaya neden oldu.

Tarihi

Nanoteknolojiyi besleyen ilk kavramlar, ünlü fizikçi Richard Feynman tarafından atomların direkt kontrolü aracılığıyla bir sentezin olasılığından bahsettiği konuşması There's Plenty of Room at the Bottom sırasında tartışılmıştır. “Nanoteknoloji” terimi ilk kez 1974'te Norio Taniguchi tarafından kullanılmıştır. Yine de çok bilinmiyordu.

Feynman'ın kavramlarından etkilenen K. Eric Drexler, “nanoteknoloji” terimini bağımsız olarak 1986'da kitabı Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology'de kullanmıştır. Bu kitap, hem kendinin hem diğer kestirilmiş karmaşıklık maddelerinin atomik kontrol ile bir kopyasını oluşturabilecek nano-ölçek çevirici fikrini öne sürmüştür. Drexler ayrıca 1986'da nanoteknoloji kavramları ve sonuçları hakkında toplum bilinci oluşturmak için The Foresight Institute (Öngörü Enstitüsü) 'nü kurmuştur.

Bu şekilde, 1980'lerde nanoteknolojinin bilim dalı olarak ortaya çıkması, teorik ve kamu işlerinin birleşmesiyle olmuştur. Bu birleşim, nanoteknoloji için ve maddenin atomik kontrolüne biraz daha dikkat çeken yüksek görünürlüklü deneysel gelişmeler için kavramsal bir çerçeve geliştirmiş ve yaygınlaştırmıştır.

Örneğin; 1981'de taramalı tünelleme mikroskobunun icadı atom ve bağların daha önce yapılandan farklı bir şekilde görüntülenmesini sağlamıştır ve 1989'da atomların kontrolünde başarılı bir şekilde kullanılmıştır. IBM Zurich Research Laboratory'da mikroskobu geliştiren Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer 1986'da Fizik dalında Nobel Ödülü aldı. Ayrıca Binnig, Quate ve Gerber o yıl analog atomsal kuvvet mikroskobunu bulmuştur.

Buckyball olarak da bilinen Buckminsterfullerene C60, fullerenler olarak bilinen karbon yapılarının temsili bir üyesidir. Fulleren ailesinin üyeleri, nanoteknoloji şemsiyesi altına düşen önemli bir araştırma konusudur.

Fulerinler 1985'te birlikte Kimya dalında Nobel Ödülü kazanan Harry Kroto, Richard Smalley ve Robert Curl tarafından keşfedilmiştir. C60 ilk başta nanoteknoloji olarak tanımlanmamıştır; bu terim, nano-ölçek elektroniği ve araçları için olası uygulamalar öneren ilgili grafen tüpleri (karbon nanotüpleri veya Bucky tüpleri) ile daha sonraki çalışmaya ilişkin kullanılmıştır.

2000'li yılların başında, biriken alan hem anlaşmazlığa hem ilerlemeye sebep olan bilimsel, siyasi ve ticari dikkati arttırdı. Anlaşmazlıklar, Royal Society’nin nanoteknoloji hakkındaki raporu tarafından ispat edilen nanoteknoloji tanımları ve olası sonuçlarına ilişkin ortaya çıkmıştır. Moleküler nanoteknoloji taraftarları tarafından planlanan uygulamaların uygulanılabilirliğine ilişkin karşı görüşler ortaya atıldı. Bu tartışmalar 2001 ve 2003 yılında Drexler ve Smalley arasında bir kamu tartışmasında doruk noktasına ulaşmıştır.

Bu sırada, nano-ölçek teknolojilerindeki gelişmelere dayanan ürünlerin ticarileşmesi başladı. Bu ürünler nanomateryallerin dökme uygulamalarıyla sınırlıdır ve maddenin atomik kontrolünü içermemektedir. Bazı örnekler; gümüş nanoparçacıkların anti-bakteriyel bir madde ve nanoparçacık temelli şeffaf güneş kremleri olarak kullanılması ve karbon nanotüplerin leke tutmaz tekstil ürünleri için kullanılması için Gümüş Nano platformu içermektedir.

Devletler, ABD’ de nanoteknolojinin büyüklüğe dayalı tanımını formülize eden ve nano-ölçek araştırmaları üzerine fon kuran National Nanotechnology Initiative ile başlayarak nanoteknoloji araştırmalarını desteklemeye ve finanse etmeye başladılar.

2000'li yılların ortalarına doğru yeni ve bilimsel ilgi gelişmeye başladı. Maddenin atomik hassas kontrolü üzerine odaklanan, ayrıca var olan ve tasarlanmış kapasiteler, amaçlar ve uygulamaları tartışan nanoteknoloji yol haritaları üretmek için projeler ortaya çıktı.

Temel kavramlar

Nanoteknoloji, fonksiyonel sistemlerin moleküler ölçekte mühendisliğidir. Bu, güncel çalışmayı ve daha gelişmiş kavramları içerir. Orijinal anlamıyla nanoteknoloji, bugün tam ve yüksek performanslı ürünler yapmak için geliştirilen araçlar ve teknikleri kullanarak maddeleri aşağıdan yukarıya oluşturmada tahmini gücü ifade eder.

Bir nanometre (nm), metrenin milyarda biri ya da 10-9 katıdır. Tipik karbon-karbon bağ uzunluğu ya da bir moleküldeki atomların arasındaki boşluk 0.12–0.15 nm arasında değişiklik gösterir ve bir DNA çift sarmalı yaklaşık 2 nm çapa sahiptir. Diğer yandan, en küçük hücresel yaşam formları, Mikoplazma familyasının bakterileri, yaklaşık 200 nm uzunluğundadır. Genel kabul ile, ABD'deki National Nanotechnology Initiative tarafından kullanılan tanımın ardınca nanoteknoloji 1'den 100'e ölçü aralığı olarak alınmaktadır. Daha düşük limit atomların boyutu tarafından belirlenmektedir (hidrojen, yaklaşık bir nm çapın çeyreği kadar olan en küçük atomlara sahiptir.) çünkü nanoteknoloji aygıtlarını atom ve moleküllerden inşa etmek zorundadır. Üst limit aşağı yukarı rastlantısal ama yaklaşık olarak daha geniş yapılarda gözlemlenmeyen olayların belirgin hale gelmeye başladığı ve nano aygıtta yararlanılabildiği boyuttur. Bu yeni olaylar, nanoteknolojiyi eşdeğer makroskobik aygıtın sadece küçültülmüş versiyonları olan aygıtlardan farklı kılar. Böyle aygıtlar daha büyük ölçektedir ve mikroteknoloji tanımı altındadır.

Bu ölçeği başka bir bağlama koyarsak, bir nanometrenin boyutunun bir metreye oranı bir bilyenin boyutunun dünyaya oranıyla aynıdır. Diğer bir deyişle, bir nanometre ortalama bir adamın tıraş makinesini yüzüne yaklaştırdığı zamanda uzayan sakal miktarıdır.

Nanoteknolojide iki ana yaklaşım kullanılmaktadır. “Aşağıdan yukarı” yaklaşımında; aygıt ve materyaller, moleküler tanıma ilkeleri ile kendilerini kimyasal olarak bir araya getiren moleküler bileşenlerden oluşturulur. “Yukarıdan aşağı” yaklaşımında, nano-nesneler atomik-düzey kontrolü olmayan daha büyük oluşumlardan oluşturulur.

Nanoelektronik, nanomekanik, nanofotonik ve nanoiyonik gibi fizik alanları, nanoteknolojinin temel bilimsel kurulumunun sağlanması için son birkaç on yıllık periyotlarda oluşmuştur.

Daha büyükten daha küçüğe: materyaller bakış açısı

Image of reconstruction on a clean Gold(100) surface, as visualized using scanning tunneling microscopy. The positions of the individual atoms composing the surface are visible.

Sistemin büyüklüğü azaldıkça bazı olaylar belirgin hale gelmektedir. Bu olaylar kuantum mekanik etkilerini olduğu gibi istatistiksel mekanik etkileri de içerir; örneğin, katı maddenin elektronik özelliklerinin parçacık büyüklüğündeki çok büyük azalmalar ile değiştirildiği “kuantum boyut etkisi”. Bu etki makro boyutlardan mikro boyutlara gitmeyle ortaya çıkmaz. Bununla beraber, nanometre aralığına (genellikle 100 nanometre aralık ya da daha az) ulaşıldığında kuantum etkileri daha büyük hale gelebilir. Buna kuantum alanı denir. Ek olarak, makroskobik sistemlere nazaran birçok fiziksel (mekanik, elektriksel, optik, vb.) özellikler değişir. Materyallerin mekanik, termal ve katalitik özelliklerini değiştiren oranı yükselten yüzey alanındaki artış buna bir örnektir. Nano-ölçekteki difüzyon ve reaksiyonlar, hızlı iyon taşımalı nanoaygıtlar ve nano-yapı materyalleri genellikle nanoiyonikler olarak tanımlanır. Nanosistemlerin mekanik özellikleri nanomekanik araştırmalarının ilgi alanıdır. Nanomateryalleirn katalitik faaliyeti ayrıca biyomateryaller ile etkileşimlerinde olası riskler oluşturur.

Nano-ölçeğe düşürülen materyaller, eşsiz uygulamalara olanak vererek, makro-ölçekte gösterdiği özelliklere nazaran farklı özellikler gösterebilir. Örneğin; opak maddeler şeffaf hale gelebilir (bakır); kararlı maddeler yanıcı hale gelebilir (alüminyum); çözünmeyen maddeler çözünür hale gelebilir (altın). Altın gibi normal ölçeklerde kimyasal olarak inert olan bir madde, nano-ölçekte potansiyel kimyasal katalizör işlevi görebilir. Nanoteknolojiye ilginin çoğu maddenin nano-ölçekte gösterdiği kuantum ve yüzey olaylarından kaynaklanmaktadır.

Basitten karmaşığa: moleküler bakış açısı

Modern sentetik kimya, küçük moleküllerin hemen her yapıya hazırlanmasının mümkün olduğu bir noktaya ulaşmıştır. Bu yöntemler, tıbbi ürünler veya ticari polimerler gibi birçok yararlı kimyasalı üretmede kullanılır. Bu kapasite, bu tür kontrolü bir sonraki daha geniş seviyeye genişletme, bu tek molekülleri iyi tanımlanmış bir biçimde düzenlenen birçok molekülden oluşan supramoleküler birleşime dönüştürme yolları arama, sorusunu gündeme getirir.

Bu yaklaşımlar, aşağıdan yukarı yaklaşımıyla kendilerini otomatik olarak yararlı biçimlere dönüştürmek için moleküler öz toplanma ve/veya supramoleküler kimyayı kullanır. Moleküler tanıma kavramı özellikler önemlidir: moleküller kovalent olmayan moleküller arası güçler nedeniyle belirli bir konfigürasyon veya düzenleme tercih edilsin diye moleküller tasarlanabilir. Watson-Crick temel eşleşmesi kuralları, tek bir tabakaya hedef alınan bir enzimin belirliliği ya da proteinin kendisinin belirli bir katlanmasının da olduğu gibi, bunun da direkt sonucudur. Bu şekilde, iki ya da daha fazla bileşen, daha karmaşık ve kullanışlı bir bütün yapsınlar diye birbirlerini tamamlayıcı ve karşılıklı çekici olmaları için tasarlanabilir.

Böyle yukarıdan aşağı yaklaşımlar, paralel olarak aygıtlar üretebilme kapasitesine sahip olmalıdır ve yukarıdan aşağı yöntemlerden daha ucuz olmalıdır, ama istenilen birleşimin boyutu ve karmaşıklığı arttıkça potansiyel olarak mahvolabilir. Birçok yararlı yapılar karmaşık ve termodinamik olarak mümkün olmayan atom düzenlemeleri gerektirir. Bununla beraber, biyolojide moleküler tanıma temelli öz birleşmenin birçok örneği vardır, en önemlileri Watson-Crick baz eşleşmesi ve enzim-tabaka etkileşimleridir. Nanoteknoloji için sorun, bu prensiplerin doğal olanlara ek olarak yeni yapılar yapmak için de kullanılabilip kullanılamamasıdır.

Moleküler nanoteknoloji: uzun vadeli görüş

Ana madde: Moleküler nanoteknoloji

Moleküler nanoteknoloji (moleküler üretim), moleküler ölçekte çalışan tasarlanmış nanosistemleri (nano-ölçek makinelerini) ifade eder. Moleküler nanoteknoloji, özellikle mekanosentez prensiplerini kullanarak atom istenilen yapı ve aygıtı atom atom üretebilen bir makine olan moleküler çevirici ile ilişkilendirilir. Verimli nanosistemler bağlamında üretimin, karbon nanotüpleri ve nanoparçacıklar gibi nanomateryalleri üretmekte kullanılan geleneksel teknolojilerle alakası yoktur ve açık bir şekilde ayırt edilmelidir.

Nanoteknoloji" terimi Erik Drexler (Norio Taniguchi tarafından daha önce kullanıldığını bilmiyordu.) tarafından bağımsız olarak dile kazandırıldığında ve yaygınlaştırıldığında, moleküler makine sistemlerine dayalı gelecekte olabilecek bir üretim teknolojisi anlamına gelmekteydi. Önerme şöyleydi: Geleneksel makine birleşenlerinin moleküler ölçek biyolojik analojilerinin moleküler makineleri örneklemesi mümkündü. Biyolojide bulunan sayısız örnek sayesinde, gelişmiş ve davranışsal olarak optimize edilmiş biyolojik makineler üretilebildiği bilinmektedir.

Umuluyor ki nanoteknolojideki gelişmeler diğer verileri, belki de biyobenzetim prensiplerini kullanarak olası yapılar oluşturacak. Bununla beraber, Drexler ve diğer araştırmacılar, gelişmiş nanoteknolojinin, belki de ilk başta biyobenzetim veriler tarafından gerçekleştirilmesine rağmen, tamamen makine yapım ilkelerine dayalı olması gerektiğini öne sürmektedir. Yani nanoteknoloji; programlanabilir, konumsal birleşimin atomik spesifikasyonunu sağlayacak bu bileşenlerin (örneğin; dişliler, motorlar ve yapısal üyeler) mekanik fonksiyonelliğine dayalı üretim teknolojisi olmalıdır. Örnek tasarımların fizik ve teknik performansı, Drexler'in Nanosistemler kitabında analiz edilmiştir.

Genel olarak, aygıtları atomik ölçekte birleştirmek çok zordur. Çünkü birisi benzer boyut ve dirençteki diğer atomlar üzerine atomlar yerleştirmek zorundadır. Carlo Montemagno tarafından öne sürülen diğer bir görüşe göre, gelecek nanosistemler silikon teknolojinin ve biyolojik moleküler makinelerin karışımı olacak. Richard Smalley, tek moleküllerin mekanik olarak kontrolündeki zorluklar nedeniyle mekanosentezlerin imkânsız olduğunu ileri sürmüştür.

Biyolojinin açık olarak moleküler makine sistemlerinin mümkün olduğunu göstermesine rağmen, bugün biyolojik olmayan moleküler makineler onların sadece başlangıç aşamasıdır. Biyolojik olmayan moleküler makineler üzerine araştırmaların liderleri Dr. Alex Zettl ve onun Lawrence Berkeley Laboratuvarları ve UC Berkeley'deki arkadaşlarıdır. Hareketi değişen voltajla masaüstünden kontrol edilen en az üç farklı moleküler aygıt geliştirmişlerdir: bir nanotüp nanomotor, bir moleküler uyarıcı ve bir nanoelektromekanik gevşeme osilatörü.

Ho ve Lee tarafından 1999'da Cornell Üniversitesi'nde konumsal birleşimin mümkün olduğunu gösteren bir deney yapılmıştır. Tek karbon monoksit molekülünü (CO) düz gümüş kristal üzerinde bulunan tek demir atomuna (Fe) doğru hareket ettirmek için bir taramalı tünelleme mikroskobu kullanmışlardır ve voltaj uygulayarak CO'yu Fe'ye kimyasal olarak bağlamışlardır.

Güncel araştırma

Graphical representation of a rotaxane, useful as a molecular switch.

This DNA tetrahedron is an artificially designed nanostructure of the type made in the field of DNA nanotechnology. Each edge of the tetrahedron is a 20 base pair DNA double helix, and each vertex is a three-arm junction.

This device transfers energy from nano-thin layers of quantum wells to nanocrystals above them, causing the nanocrystals to emit visible light.

Nanomateryaller

Nanomateryaller alanı, nano-ölçek boyutlarından kaynaklanan eşsiz özelliklere sahip materyaller üzerine çalışan ya da bu materyalleri geliştiren alt alanlar içerir.

• Arayüz ve kolloid bilimi, nanoteknolojide yararlı olabilecek karbon nanotüpü, diğer fulerinler, çeşitli nanoparçacıklar ve nanorodlar gibi birçok materyal oluşturmuştur. Hızlı iyon taşımalı nanomateryaller ayrıca nanoiyonik ve nanoelektronikle alakalıdır.
• Nano-ölçek materyaller ayrıca yığın uygulamalar için de kullanılabilir. Nanoteknolojinin en güncel ticari uygulamaları bu türdür.
• Bu materyallerin medikal uygulamalarda kullanımında ilerleme kaydedilmiştir.
• Nanopillar gibi nano-ölçek materyalleri bazen geleneksel silikon güneş pillerinin maliyetiyle çatışan güneş pillerinde kullanılır.
• Ekran teknolojisi, aydınlanma, güneş pilleri ve biyolojik görüntüleme gibi ürünlerin gelecek neslinde kullanılacak yarı iletken nanoparçacıkları kapsayan uygulamaların gelişmesi.

Aşağıdan yukarı yaklaşımları

Bunlar daha küçük bileşenleri daha karmaşık birleşimlere dönüştürme yolları ararlar.

• DNA nanoteknolojisi DNA'dan ve diğer nükleik asitlerden iyi tanımlanmış yapılar oluşturmak için Watson-Crick baz (temel) eşleştirmesinin spesifikliğini kullanır.
• Klasik kimyasal sentez (inorganik ve organik sentez) alanından gelen yaklaşımlar ayrıca iyi tanımlanmış şekilleri olan moleküller tasarlamayı amaçlar.
• Daha genel olarak, moleküler öz-birleşim, tek moleküllü bileşenlerin otomatik olarak kendilerini bazı yararlı biçimlere dönüştürmelerine sebep olmak için supramoleküler kimya ve özellikle moleküler tanıma kavramlarını kullanmaya çalışır.
• Atomik kuvvet mikroskobu uçları, daldırma uçlu nano yazıcı denilen süreçte istenilen bir modelde yüzey üzerine bir kimyasal yerleştirmek için yazma kafası nano-ölçeği olarak kullanılabilir.

Yukarıdan aşağı yaklaşımları

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

Bu yaklaşımlar, nasıl birleştiklerine dikkat etmeden istenilen işlevsellikte bileşenler geliştirmeye çalışır.

• Moleküler ölçek elektroniği yararlı elektronik özelliklerine sahip moleküller geliştirmeye çalışır. Bu moleküller, o zaman nanoelektronik aygıtta tek moleküllü bileşenler olarak kullanılabilir.
• Sentetik kimyasal yöntemler ayrıca nano arabadaki gibi sentetik moleküler motorlar yapmada kullanılabilir.

Biyobenzeşimsel yaklaşımlar

• Biyonik veya biyomimikri; doğada bulunan biyolojik yöntemleri veya sistemleri, modern teknoloji ve mühendislik sistemlerinin tasarımı ve çalışmalarına uygulamayı amaçlar. Biyo ineralizm, çalışılan sistemlere bir örnektir.
• Biyonanoteknoloji; virüslerin ve lipid birleşimlerin kullanımını da içermekle birlikte nanoteknoloji uygulamaları için biyomoleküllerin kullanımıdır. Nanoselüloz potansiyel bir yığın-ölçek uygulamadır.

Teorik yaklaşımlar

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.

Araçlar ve teknikler

Typical AFM setup. A microfabricated cantilever with a sharp tip is deflected by features on a sample surface, much like in a phonograph but on a much smaller scale. A laser beam reflects off the backside of the cantilever into a set of photodetectors, allowing the deflection to be measured and assembled into an image of the surface.

Birkaç önemli modern gelişme vardır. Atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobu, nanoteknolojiyi başlatan tarama sondalarının ilk versiyonlarıdır. Başka taramalı sondalı mikroskopi türleri de vardır. Kavramsal olarak Marvin Minsky tarafından 1961'de geliştirilen taramalı eşodaklı mikroskoba ve Calvin Quate ve arkadaşları tarafından 1970'lerde geliştirilen taramalı akustik mikroskoba benzemesine rağmen, daha yeni taramalı sondalı mikroskoplar çözünürlüğe sahiptir. Çünkü bunlar, sesin ve ışığın dalga boyu tarafından kısıtlanmamaktadır.

Taramalı sondanın ucu nanoyapıların kontrolü (konumsal birleşim denilen aşama) için de kullanılabilir. Rostislav Lapshin tarafından öne sürülen özellik odaklı tarama yöntemi, bu nanokontrolleri otomatik şekilde uygulamanın umut vadeden bir yolu gibi gözükmektedir. Bununla birlikte, bu yol mikroskobun düşük tarama hızı nedeniyle hâlâ yavaş bir süreçtir.

Optik litografi, X-ray litografi, daldırma kalem nanolitografi, elektron demeti litografisi veya nanodamga litografi gibi çeşitli nanolitografi teknikleri de geliştirildi. Litografi, yığın maddenin büyüklüğünün nano-ölçek biçime azaltıldığı bir yukarıdan aşağı üretim tekniğidir.

Bir diğer nanoteknolojik teknikler grubu; nanotüplerin ve nanotellerin üretiminde kullanılan teknikleri, derin ultraviyole litografi, elektron ışın litografi, odaklanmış iyon demeti işleme, nanodamga litografi, atomik tabaka çökeltme ve moleküler buhar biriktirme tekniklerini ve di-blok eşpolimerlerini çalıştıran moleküler özbirleşim teknikleri gibi yarı iletken üretiminde kullanılan teknikleri içerir. Bu tekniklerin öncüleri nanoteknolojik dönemin önünü çekmişlerdir. Ayrıca nanoteknoloji araştırmalarının sonuçları olan ve sadece nanoteknoloji yaratmak amacı ile oluşturulan tekniklerin değil, bilimsel gelişmelerin uzantılarıdır.

Yukarıdan aşağı yaklaşımı, imal edilmiş maddelerin yapıldığı gibi, nanoaygıtların aşamalarla parça parça üretilmesi gerektiğini öngörür. Taramalı sondalı mikroskop nanomateryallerin sentezi ve tanımı için önemli bir tekniktir. Atomik kuvvet mikroskopları ve taramalı tünelleme mikroskopları yüzeyleri incelemek ve atomları hareket ettirmek için kullanılabilir. Bu mikroskoplar için farklı uçlar tasarlanarak, kendiliğinden kurulan yapılara yön vermek ve yüzeylerde yapılar oluşturmak için kullanılabilirler. Örneğin; özellik odaklı taramalı yaklaşım kullanılarak taramalı sondalı mikroskop tekniği ile atom veya moleküller hareket ettirilebilir. Şu anda, bu toplu üretim için çok pahalı ve zaman alıcı bir şeydir, ama laboratuvar deneyleri için çok uygundur.

Aşağıdan yukarı teknikleri, yukarıdan aşağının aksine, adım adım daha büyük yapılar oluşturur. Bu teknikler; kimyasal sentez, öz toplanma ve konumsal toplanmayı içerir. Dual kutuplaşma interferometri kendinden monteli ince filmlerin tanımı için uygun bir araçtır. Aşağıdan yukarı yaklaşımının bir diğer çeşidi moleküler ışın epitaksisidir. Bell Telephone Laboratuvarları'ndaki John R. Arthur, Alfred Y. Cho ve Art C. Gossard gibi araştırmacılar, 1960'ların sonlarında ve 1970'lerde moleküler ışın epitaksisini bir araştırma aracı olarak uyguladılar ve geliştirdiler. Moleküler ışın epitaksisi tarafından yapılan örnekler, kesirli kuantum Hall etkisinin keşfinin anahtarıdır. Kesirli kuantum Hall etkisi için 1998'de fizik alanında Nobel Ödülü verilmiştir. Moleküler ışın epitaksisi, bilim adamlarının atomların atomik olarak hassas tabakalarından vazgeçip karmaşık yapılar oluşturmalarını sağlar. Moleküler ışın epitaksi ayrıca yarı iletkenler üzerine araştırmalar için önemlidir. Ayrıca yeni oluşan spintronik için aygıtlar ve örnekler yapmak için yaygın bir şekilde kullanılır.

Bununla beraber, hassas nanomateryallere dayalı yeni terapik ürünler (örneğin; strese duyarlı taşıyıcı kesecikler) gelişmektedir ve bazı ülkelerde çoktan insan kullanımı için onaylanmıştır.

Uygulamalar

One of the major applications of nanotechnology is in the area of nanoelectronics with MOSFET's being made of small nanowires ~10 nm in length. Here is a simulation of such a nanowire.

Nanostructures provide this surface with superhydrophobicity, which lets water droplets roll down the inclined plane.

21 Ağustos 2008'de Project on Emerging Nanotechnology (Yeni Gelişen Nanoteknoloji üzerine Proje)’ nin tahminlerine göre 800’den fazla nanoteknolojik ürün halka açıktır. Haftada 3-4 kez yenileri piyasaya sürülmektedir. Bu proje bütün ürünleri halka açık online bir database üzerinde listeler. Çoğu uygulama “birinci nesil” pasif nanomateryallerin kullanımına sınırlıdır. Bu pasif nanomateryaller; güneş kremi, kozmetik, yüzey kaplama ve bazı yiyecek ürünlerindeki titanyum oksidi içerir. Ayrıca gecko tape üretmek için kullanılan Carbon allotropları; yiyecek paketlemede, giyim, dezenfektanlar ve ev aletlerindeki gümüş; kozmetik ve güneş kremindeki çinko oksit; ve yakıt katalizörü olarak seryum oksit de bu nanomateryallere örnektir.

Daha ileri uygulamalar tenis topunun daha uzun dayanmasını, golf topunun daha düz uçmasını ve bowling topunun daha dayanıklı olmasını ve daha sert yüzeye sahip olmasını sağlar. Pantolonlar ve çoraplarda da daha uzun süre dayanmaları ve yazın insanları serin tutmaları için nanoteknoloji kullanılır. Bandajlarda yaraları çabuk iyileştirmeleri için gümüş parçacıkları kullanılır. Arabalar da nanomateryallerle üretilmektedir, bu sayede gelecekte daha az metal ve yakıta ihtiyaç duyabilirler. Video oyun konsolları ve kişisel bilgisayarlar nanoteknoloji sayesinde daha ucuz, daha hızlı hale gelebilir ve daha çok hafızaya sahip olabilir. Nanoteknoloji var olan tıbbi uygulamaların evde ve pratisyen hekimin ofisi gibi yerlerde daha ucuz ve daha kolay kullanılmasını sağlayabilir.

The National Science Foundation (ABD'deki en büyük nanoteknoloji araştırma merkezlerinden biri), nanoteknoloji alanını çalışması için araştırmacı David Berube'yi finansal olarak desteklemiştir. David Berube'nin bulguları, Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz (Nano-Aldatmacası: Nanoteknoloji Vızıltısının Arkasındaki Gerçek) adlı monografide yayınlanmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre nanoteknoloji olarak satılan şeylerin çoğu aslında basit maddeler biliminin yeniden önümüze koyulmuş halidir. Bu durum; nanoteknoloji endüstrisinin sadece nanotüpler, nanoteller satmak üzerine kurulu olmasına neden olmaktadır ve büyük hacimlerde düşük marj ürünler satan çok az satıcının kalmasıyla sonuçlanacaktır. Nano-ölçek bileşenlerin gerçek kontrol ve düzenlenmesini gerektiren daha ileri uygulamalar daha ileri araştırmalar beklemektedir. ‘Nano’ terimi ile etiketlenen teknolojiler, bazen moleküler üretim tasarılarındaki türlerin en kararlı ve dönüştürülebilir amaçlarından çok uzak düşmekte ya da çok az alakalı olmaktadır. Buna rağmen nanoteknoloji terimi bu fikirleri ifade etmektedir. Berube'ye göre; daha iddialı ve öngörülü çalışmanın dönüştürücü olasılıklarına olan ilgiye bakmaksızın, terimin girişimciler ve bilim adamları tarafından fon biriktirmek için kullanmasından dolayı “nano kabarcık” oluşma tehlikesi oluşabilir ya da oluşmakta olabilir.

Sonuçlar

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 çevre endişeleri

Nanofiberler; uçak kanadından tenis raketine kadar değişik ürünlerde ve bazı alanlarda kullanılmaktadır. Uçuşan nanoparçacıkları ve nanofiberleri içine çekmek fibröz gibi birçok akciğer hastalığına sebep olabilir. Araştırmacılar; deney fareleri nanoparçacıkları içine soluduğunda bu parçacıkların beyine ve akciğere yerleştiğini ve bunun da stres tepkisi ve iltihaplanma için biyo-işaretlerde önemli artışa sebep olduğunu bulmuşlardır. Ayrıca nanoparçacıklar tüysüz farelerde oksidatif stres yoluyla cilt yaşlanmasını tetikler.

UCLA’s School of Public Health’te gerçekleştirilen iki yıllık çalışmanın sonuçlarına göre, nano-titanyum dioksit tüketen laboratuvar faresinde; kanser, kalp rahatsızlığı, nörolojik rahatsızlık ve yaşlanma gibi insan için ölümcül olan durumlara sebep olacak şekilde DNA ve kromozom hasarı görülmüştür.

Nature Nanotechnology’de son zamanlarda yayınlanan bir çalışmaya, karbon nanotüplerinin bazı formlarının -nanoteknoloji devriminin tipik bir örneği- eğer yeterli sayıda solunursa asbest kadar zararlı olabileceğini öne sürmüştür. İskoçya Edinburgh Institute of Occupational Medicine (Meslek Hekimliği Enstitüsü)’nde çalışan ve karbon nanotüpleri hakkındaki makaleye katkıda bulunan Anthony Seaton’a göre “Biliyoruz ki bunların bazılarının mezotelyoma neden olabilir. Bu yüzden bu tür materyaller çok dikkatli işlenmelidir. Devletlerden gelecek olan belirli bir düzenlemenin yokluğunda, Paull ve Lyons (2008) yiyeceklerde nanoparçacıkların kullanılmaması için çağrıda bulunmuşlardır. Bir gazete makalesi boya fabrikasındaki işçilerin ciddi akciğer kanserine yakalandıklarını ve akciğerlerinde nanoparçacıkların bulunduğunu bildirmiştir.

Düzenleme

Ana madde: Nanoteknolojinin etkileri

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.