nanoteknoloji / NANOMALZEME SENTEZ YÖNTEMLERİ

NANOMALZEME NEDİR? NANOMALZEME SENTEZ YÖNTEMELRİ? NANO MALZEME BULK MALZEME FARKLARI

1. NANOTEKNOLOJİ

2. Nanoteknoloji Nedir? Nanoteknoloji, 1–100 nanometre ölçeğinde (1 nm = 1 metrenin milyarda biri) atom ve molekül boyutundaki maddenin işlenmesi, birleştirilmesi, kontrol edilmesi ve yeni özellikler oluşturulması bilimidir. Bu ölçekte malzemelerin fiziksel, kimyasal, elektriksel ve mekanik özellikleri büyük ölçüde değişir. Nanoteknoloji bu farklı özellikleri kullanarak yeni malzemeler, cihazlar ve sistemler geliştirmeyi amaçlar.

3. Nanomalzemelerin Özellikleri Tane boyutu küçüldükçe malzemelerin erime noktası, yoğunluğu, sertliği, sünekliği ve elastik modülü gibi özellikleri değişir. Nanoyapılı malzemeler, taneler ve tane sınırlarından oluşur. Nanometre boyutundaki taneler, sadece birkaç bin atom içerir. Tane boyutu küçüldükçe, yüzeydeki atomların oranı artar → bu da kimyasal reaktivite , mekanik dayanımı ve elektriksel/ısıl özellikleri önemli ölçüde değiştirir. Textbook of Nanoscience and Nanotechnology by B.S. Murty, P. Shankar, B. Raj, BB Rath, and J. Murday

4. Nanomalzemeler: Yüzey Alanı / Hacim Oranı Yüksek reaktivite, gelişmiş katalitik özellikler, farklı elektriksel ve mekanik davranışlar Silindir Örneği (Cylinder) Hacim: V = πr²H Yüzey alanı: A = 2πrH Oran: A/V = 2/r Küçük çaplı nanotel ve nanotüplerin neden çok aktif olduğunu açıklar. Nanomaterials, nanotechnologies and design by", Michael F. Ashby, Paulo J. Ferreira, Daniel L. Schodek

5. Nanomalzemelerde Erime Noktası ve Yüzey Enerjisi Bulk malzeme: Çoğu atom içte → güçlü bağlar → yüksek erime noktası Nano malzeme: Çoğu atom yüzeyde → zayıf bağlar → düşük erime noktası Yüzey atomları ve moleküller kararsızdır ve yüksek yüzey enerjisine sahiptir -> parçacıklar birleştiğinde toplam yüzey enerjisi azalır -> aglomere olma eğilimi Parçacık Boyutu – Erime Noktası İlişkisi: Nanotechnology Principles and Practices by Sulabha K Kulkarni, 3rd ed Nano boyutta erime sıcaklığı çok daha düşüktür.

6. Nano Malzemelerde yüzey özelliklerinin reaksiyonlardaki önemi Tane boyutu küçüldükçe aktif yüzey alanı artar → katalitik aktivite yükselir. -> bulk katalizörlere göre daha az malzeme ile daha yüksek verim Nanotechnologies Principles, Applications, Implications and Hands-on Activities by European Commission 2013 Nanomalzemeler, belirli kimyasal ya da biyolojik bileşikleri yüksek hassasiyetle tespit edebilir. -> tespit hızı ve doğruluğu bulk malzemelere göre çok daha yüksektir. Bu prensip, kimyasal sensörler, biyosensörler ve mikroarrayler gibi birçok cihazın temelini oluşturur. Nanotechnologies Principles, Applications, Implications and Hands-on Activities by European Commission 2013

7. Nano Malzemelerin Isıl Özellikleri Isıl iletkenlik (k)(W/m·K): Bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyeti. Nano Malzemelerde Isıl İletkenliği Etkileyen Faktörler a) Boyut Etkisi Malzeme nanoboyutu küçüldükçe yüzey/hacim oranı artar . Bu durum fononların ortalama serbest yolunu (mean free path) kısaltır. Sonuç → Fonon saçılması artar → ısıl iletkenlik düşer. b) Fonon/Yüzey Saçılması Nanomalzemelerde fononlar yüzeyde ve arayüzlerde daha çok saçılır. Bu da ısıl iletkenliği azaltır. c) Şekil ve Yönelim Nanotüp, nanoküp, nanotel gibi farklı geometriler farklı ısıl iletkenlik gösterir. Kristal yönelimi de fonon hareketini etkileyerek ısı transferini değiştirir.

8. Nanomalzemelerin Isıl İletkenlik Uygulamaları 1. Isı Alıcılar Yüksek ısıl iletkenlikli nanomalzemeler (ör. grafen, CNT) elektronik cihazlardan ısıyı hızlıca uzaklaştırır. Avantaj → cihazların aşırı ısınmasını engeller, ömrünü uzatır. 2. Enerji Depolama Ayarlanabilir (tunable) ısıl iletkenlik sayesinde nanomalzemeler termal enerji depolama sistemlerinde kullanılır. Örneğin faz değişim malzemeleri (PCM) ile birleştiğinde enerji depolama kapasitesi artar. 3. Nanofluid Uygulamaları Nanoparçacıkların (grafen, Al₂O₃, CNT, metal nanoparçacıklar) sıvılara eklenmesi → ısıl iletkenliği artırır. Kullanım alanları: Isı değiştiriciler (heat exchangers) Soğutma sistemleri (bilgisayar çipleri, enerji santralleri) Güneş enerjisi sistemleri

9. Nano Malzemelerin Isıl Özellikleri Isı Kapasitesi (C): Bir sistemin sıcaklığını 1 °C (veya 1 K) artırmak için gerekli ısı miktarıdır. Özgül Isı Kapasitesi (Cp): Birim kütle başına düşen ısı kapasitesidir. (J/kg·K) Nanoparçacıkların eklenmesiyle Cp değeri değişir → sistemin ısı depolama kapasitesi artar veya azalır . Ag (gümüş) nanoparçacıkları → Bulk (kütlesel) gümüşten farklı Cp değerine sahiptir. Nanoparçacıklarda yüzey atomlarının oranı çok fazla -> fononların katkısı artıyor-> ekstra serbestlik dereceleri-> Cp yükseliyor Goll, G., Lohneysen, H. (1995), Specific heat of nanocrystalline and colloidal noble metals, 6(5-8) 559-562

10. Nano Malzemelerin Mekanik Özellikleri Malzeme boyutu nanometre seviyesine düştüğünde, malzeme genellikle tek kristal özellik gösterir. Bu, mekanik özelliklerde (örneğin dayanıklılık ve sertlikte) iyileşmeye yol açabilir. Young Modülü, bir malzemenin gerilme/şekil değiştirme oranını ifade eder CNT’ler 100 kat daha güçlü ama 6 kat daha hafif → mükemmel mekanik özellikler. Nanotechnology Principles and Practices by Sulabha K Kulkarni, 3rd ed

11. Nano Malzemelerin Mekanik Özellikleri Nanomalzemelerde plastik deformasyon (kalıcı şekil değişimi) farklıdır. Nanokristalin Ni (nikel) → polikristal malzemelere göre farklı gerilme/şekil değiştirme eğrileri gösterir. Nanotechnology Principles and Practices by Sulabha K Kulkarni, 3rd ed Sertlik, tane boyutuna bağlıdır : Mikro boyutta → tane boyutu arttıkça sertlik artar. Nano boyutta → tane boyutu küçüldükçe sertlik artar. Nanotechnology Principles and Practices by Sulabha K Kulkarni, 3rd ed

12. Nano Malzemelerin Elektriksel Özellikler Boyut nanometre ölçeğine indiğinde elektronlar artık kuantum sınırlaması (quantum confinement) etkisine girer. Enerji seviyeleri artık sürekli bantlar değil, ayrık seviyeler haline gelir. Bant aralığı büyür → Eg artar. Bu nedenle bazı metaller küçüldükçe yarı iletken gibi davranmaya başlar. Eg arttığında: Daha fazla enerji (ışık/ısı) gerekir. Emilen/emilen ışığın dalga boyu kısalır Kuantum mekaniğinde kutu küçüldükçe enerji seviyeleri arasındaki fark büyür. L -> kutunun boyutu.

13. Nano Malzemelerin Optik Özellikleri Quantum Dot (QD) Renkleri Aynı malzeme (ör. CdSe QD), farklı boyutlarda farklı renkler yayar. Küçük QD → mavi ışık (yüksek enerji) Büyük QD → kırmızı ışık (düşük enerji) Bunun sebebi: band aralığının boyuta bağlı değişmesi (quantum confinement effect). Güneş Kremi (ZnO ve TiO₂ Nanoparçacıklar) 200 nm parçacıklar → bütün görünür ışığı saçar → beyaz görünür. 100 nm parçacıklar → saçılma azalır → saydam görünür.

14. Nano Malzemelerin Manyetik Özellikleri Koersivite (Hc) : Koersivite, bir manyetik malzemeyi manyetize ettikten sonra tekrar mıknatıslığını sıfırlamak için gereken ters manyetik alanın şiddetidir. Nanoparçacıkların boyutu küçüldükçe manyetik davranışları değişir. Çok büyük boyutlarda → çoklu manyetik domainler vardır (multi-domain). Orta boyutta → tek domain oluşur, koersivite (Hc) en yüksek seviyeye çıkar. Çok küçük boyutlarda → süperparamanyetizma görülür, koersivite sıfıra yaklaşır. Akbarzadeh et al., Nanoscale Research Letters, 2012, 7:144.

15. Yukarıdan aşağıya Yöntemi Aşağıdan yukarıya yöntemi Kütlesel Malzemeler (Büyük ölçekli malzemeler) Atomlar (küçük boyut) Toz (öğütme gibi işlemlerle küçültülür) Kümeler ( Atomlar birleşerek küçük kümeler oluşturur.) Nanoparçacıklar

16. SIVI FAZ

17. Sol-Gel Yöntemi Sol – Gel yöntemi etanol veya su bazlı asidik/bazik bir çözelti içerisinde katalizörlü veya katalizörsüz olarak nitrat, sülfat vb. metal oksit ön başlatıcıların hidrolizi ve sonrasından kondenzasyonu esasına dayanmaktadır. Su – alkol çözeltisi içerisinde bulunan alkoksitler, ön başlatıcılar ( asidik ya da bazik ) sayesinde hidrolizi gerçekleştirerek ortamdan uzaklaştırılır. Hidroliz ile yapıda kalan metalden metal oksit bağlarının oluşumu sağlanır ve ağ gibi bir yapıl oluşturarak tüm hacmin Metal + Oksit + Metal olması için büyürler ve jel meydana gelir. Elde edilen jel yaşlanmaya bırakılarak gözenekli jel (xerogel) ya da yüksek sıcaklık işlemi ile yakılarak (aerogel) nanomalzeme üretimi gerçekleşir.

18. SOL-GEL Yöntemi Üretim Aşamaları Katalizörün (ön başlatıcının ) hidrolizi Kondenzasyon Jelleşme Yaşlanma Kurutma Yüksek sıcaklık işlemi

19. SOL-GEL Yöntemi Avantaj Dezavantaj Düşük sıcaklıkta, oda sıcaklığına yakın sıcaklıkta üretim Kurutma sırasında çatlama ve büzülme risk (kapiler gerilim) Ucuz ve kolay ölçeklenebilir yöntem Uzun işlem süresi (hidroliz, jelasyon, yaşlanma) Farklı formlarda üretim: toz, film, fiber, monolit, aerogel, xerogel Son ürünün mekanik dayanımı düşük olabilir Yüksek saflık ve homojenlik Gözenek yapısı kararsız → çökme/bozulma ihtimali Boyut, şekil ve gözenek yapısı üzerinde kontrol Büyük ölçekli endüstriyel üretimde sınırlı uygulanabilirlik Diğer yöntemlerle zor elde edilen kompozit ve ince film üretimine uygun Kalıntı çözücüler saflığı etkileyebilir

20. SOL – JEL YÖNTEMİ İLE KAPLAMA Daldırarak Kaplama Bu işlemde kontrollü atmosfer ve kontrollü sıcaklık altında kaplanacak malzeme çözeltiye daldırılır ve belirlenmiş bir hızda geri çekilir. Kaplanacak malzeme yüzeyinde ince bir film oluşur. Bu filmin kalınlığı en fazla çekme hızına, sıvının viskozitesine ve sıvının içinde bulunan katı içeriğine bağlı olarak değişmektedir. Dönerek Kaplama İşlemi Bu yöntem düz yüzeylere ince kaplama yapmak için kullanılır. Kaplamaya dönüştürülecek malzeme bir çözücüyle çözülür veya dağıtılır. Dağıtılan kaplama malzemesi alt tabakada biriktirilir ve ardından düzgün bir tabaka elde edinceye kadar döndürülür.

21. SOL – JEL YÖNTEMİ İLE KAPLAMA Açıya Bağlı Daldırma ile Kaplama Bu yöntem ile yapılan kaplamalarda kaplama kalınlığı, alt tabaka ile sıvı yüzey arasındaki açıya bağlıdır, bu nedenle alt tabakanın üst ve alt tarafında farklı katman kalınlığı elde edilebilir. Akışla Kaplama İşlemi Bu yöntemde sıvı olan kaplama malzemesi kaplanacak malzemenin üzerine dökülür. Kaplama kalınlığı, alt tabakanın eğim açısına, viskoziteye ve solvent buharlaşma oranına bağlıdır. Yöntemin avantajı, düzlemsel olmayan büyük yüzeylerin kolayca kaplanabilmesidir.

22. Örnek: TiO₂ nanoparçacıklarının sol–jel yöntemiyle sentezi Sol–gel yöntemi, titanyum bileşiklerinin uygun çözücüler ve katalizörler eşliğinde kontrollü hidrolizi ve kondenzasyonuna dayanır. İlk aşamada hazırlanan çözeltiler düşük sıcaklıkta karıştırılarak metal–hidroksil grupları oluşturulur. Ardından sistem ısıtılarak kolloidal yapıdaki “sol” fazı meydana gelir. Daha sonra kondenzasyon ile sol yapısı üç boyutlu bir jel ağına dönüşür. Son adımda kurutma ve ısıtma işlemleri uygulanarak kristal yapılı TiO₂ nanoparçacıkları elde edilir. Bu yöntem, düşük maliyet, yüksek saflık ve kontrol edilebilir partikül boyutu gibi avantajlara sahiptir. Elde edilen TiO₂ nanoparçacıkları; kataliz, fotokataliz, su/atmosfer arıtma, kaplama teknolojileri ve kozmetik ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

23. Hidrotermal yöntem Nano Yapılı malzemelerin, yüksek sıcaklık ve basınç altında, su veya başka çözücüler içinde, kapalı kaplarda ( autoclaves ) sentezlendiği yöntemdir. Çözelti yüksek sıcaklıkta basınç ile kaynama noktasının üzerine çıkarılır → burada çözünürlük artar, iyonlar hareket eder ve nano boyutlu kristaller oluşur. Geleneksel hidrotermal (a şeması): Metal gövdeli otoklavda gerçekleşir. Isıtma ile konveksiyon akımları oluşur (sıcak çözelti alttan yukarı çıkar, soğuk çözelti aşağı iner). Bu akımlar sayesinde homojen kristal büyümesi sağlanır. Mikrodalga destekli hidrotermal (b şeması): Isıtma mikrodalga dalgalarıyla yapılır. Daha hızlı, verimli ve düşük enerji harcayan bir yöntemdir. Homojen partikül boyutu elde etmek kolaylaşır. Nanoteller, Nanorodlar , Nanosheetler, Nanosphere gibi farklı geometrilerde malzemeler üretilebilir. Raduwan, N.F., Shaari, N., Kamarudin, S.K., Madar, M.S. and Yunus, R.M., 2022. An overview of nanomaterials in fuel cells: Synthesis method and application. International Journal of Hydrogen Energy, 47(42), pp.18468-18495.

24. Mikroemülsiyon Yöntemin temelini oluşturan emülsiyonu, yağ (polar olmayan faz) ve su (polar olan faz) fazları oluşturur. Bu iki faz birbirine karışmaz ve dışarıdan bir etki ile karıştırıldığında tekrar iki faza ayrılır. İki fazın karışabilmesi için su-su ve yağ- yağ ilişkisinin yerine su-yağ birleşmesini sağlayabilecek bir enerjiye ihtiyaç duyulur. Ara yüzey gerilimi iki faz mevcut olduğunda ortaya çıkar. Ortamda yeterli miktarda yüzey aktif madde bulunması halinde, yüzey aktif madde, su ve yağ molekülleri arasındaki ara yüzey gerilimini azaltarak su ve yağ arasında bir ara yüzey oluşturur .

25. Mikroemülsiyon Çeşitleri Yağ, su ve yüzey aktif maddeler içeren sıvı formülasyonlar için bir sınıflandırma şeması Winsor (1948) tarafından önerilmiştir.Denge fazı temel alındığında sistemlerin dört farklı çeşidi mevcuttur. Emülsiyon oluşturma işleminin en önemli kısmı, hangi fazın sürekli faz olacağı- nı belirlemektir. Bunun için seçilecek yüzey aktif madde çok önemli olacaktır. Eğer yüzey aktif madde hidrofilik özellikli ise; su sürekli fazı içinde yağ damlacıklar halinde emülsiye olacaktır. Bunun tam tersi durumunda ise, yani lipofilik özellikli yüzey aktif madde kullanıldığında, yağ sürekli fazı içinde su damlacıkları oluşacaktır.

26. Kimyasal Çöktürme Çöktürme tekniğinin en temel kritik noktası, nanomalzemeyi olduğu yerde sentezlemek ve aynı sıvı ortamda çalışmaktır. Bu durum fiziksel değişimlerin gerçekleşmesini ve küçük kristallerin bir araya toplanmasını önler. İlk olarak, metal oksitler (örneğin; Li2O3), metal tuzlar (örneğin; FeCl2, AgNO3) ve organometalik bileşikler (örneğin; Fe(Ac)2), veya bunların hidratları (örneğin; FeCl2•6H2O) gibi başlangıç malzemelerinden oluşan ana çözeltiler, başlangıç malzemelerin uygun çözücüde çözülmesiyle hazırlanır.

27. Elektrokimyasal Nanoparçacık Sentezi Elektrokimyasal sentez, bir elektrokimyasal hücrede elektrotlar arasında gerçekleşen elektron transferine dayalı nanoparçacık üretim yöntemidir. Mekanizma (Ag Nanopartikül Örneği): Anot (Ag): Ag → Ag⁺ + e⁻ Katot: Ag⁺ + e⁻ → Ag (nanoparçacık) Yan ürün: O₂ (anot) ve H₂ (katot) gazları Avantajları: Tek basamaklı, düşük maliyetli, oda sıcaklığında uygulanabilir Kimyasal indirgeme ajanı gerektirmez (çevre dostu) Boyut (2–50 nm) ve morfoloji akım yoğunluğu ile kontrol edilebilir Sonuç: Elektrokimyasal yöntem, yüksek saflıkta ve homojen gümüş nanoparçacıkların üretiminde başarılıdır. Bu yöntem kolay ölçeklenebilir ve modern nanoteknoloji uygulamalarında (katalizörler, sensörler, biyomedikal alanlar) yaygın olarak kullanılmaktadır. El-Khawaga, A. M., Zidan, A., & Abd El-Mageed, A. I. A. (2023). Preparation methods of different nanomaterials for various potential applications: A review. *Journal of Molecular Structure, 1281*, Article 135148. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2023.135148

28. GAZ FAZ

29. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) Zaytseva, O. and Neumann, G., 2016. Carbon nanomaterials: production, impact on plant development, agricultural and environmental applications. Chemical and Biological Technologies in Agriculture, 3, pp. 1-26. Reaktant gazları, tayışıcı gazlar ve inert gazların bir karışımı belli oranlarda ve belli akış hızlarında reaksiyonun meydana ge- leceği vakum odalarına gönderilir, Reaksiyona girecek gazlar katalizör olarak kullanılan alttaşlar/ substrate (örn. SiO₂, Al₂O₃, cam, metal folyo) üzerine hareket eder, Reaktantlar alttaşların yüzeyinde soğurulur, Yüzey ve reaktantlar kimyasal reaksiyona girer ve yüzeyde ince film oluşur. Reaksiyona girmeyen ürünler vakum odasından uzaklaştırılır. Film, atom katmanları halinde büyür.

30. Chemical Vapor Deposition (CVD) ile Karbon Nanotüp (CNT) Üretimi Gaz karışımı (C₂H₂ + N₂, H₂) vakum odasına gönderilir. Fe katalizör parçacıkları, C₂H₂’nin parçalanmasını sağlar. Reaksiyon : C₂H₂ –> 2C (CNT) + H₂ Karbon atomları katalizör yüzeyinde nanotüp yapısında birikir. Yan ürün gazlar sistemden uzaklaştırılır. Deney Koşulları (Kısa Bilgi Kutusu) Sıcaklık: 600–750 °C Gaz akış hızı: 100 ml/min N₂ + 10 ml/min C₂H₂ Büyüme süresi: 30 dk – 2 saat Formation of Carbon Nanotube Forest over Spin-coated Fe2O3 Reduced Thin-film by Chemical Vapor Deposition - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Pictorial-representation-of-the-experimental-setup-for-the-growth-of-carbon-nanotubes-by_fig1_260398797 [accessed 22 Aug 2025]

31. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) Avantajları Dezavantajları Yüksek saflık ve düzgün film Özel ekipman (fırın, vakum, gaz kontrolü) Farklı malzeme üretimi (CNT, nitrürler, oksitler) Toksik yan ürünler (CO, HCl vb.) Hassas kontrol (kalınlık, morfoloji) Yüksek maliyet, enerji tüketimi Kullanım Alanları CNT sentezi (sensör, nanoelektronik) Yarı iletken endüstrisi (Si, GaN, SiO₂) Sert kaplamalar (TiN, SiC, DLC) Güneş hücreleri & optoelektronik

32. Kimyasal Buhar Sentezi (CSV) Gaz fazındaki öncüllerin yüksek sıcaklıkta reaksiyona girerek toz nanoparçacıklar oluşturduğu yöntemdir. Farkı: CVD’de ürün → substrat üzerinde ince film CVS’de ürün → gaz fazında oluşan nanoparçacık tozları Avantajları: Yüksek saflıkta ürün elde edilir Nanoparçacık boyutu ve morfolojisi kolayca kontrol edilebilir Dar boyut dağılımına sahip homojen nanoparçacıklar üretilir Üretilebilen Malzemeler: TiO₂, ZnO, SiO₂, Al₂O₃ gibi seramik oksitler Katalizör nanoparçacıkları Kullanım Alanları: Katalizörler Optoelektronik seramikler Sensör malzemeleri Enerji teknolojileri

33. Yumuşak ve sert şablon yöntemi 1.Hard Template Method (Sert Kalıp Yöntemi): Öncelikle şablon gözeneklerine öncü madde (prekürsör) doldurulur. Kalıp kimyasal veya ısıl işlemle (etching, çözündürme) uzaklaştırılır. Mesoporous carbon → silika şablonu doldurulur, sonra silika uzaklaştırılarak karbon yapısı elde edilir. 2. Soft Template Method (Yumuşak Kalıp Yöntemi) “Yumuşak şablonlama” terimi, yüzey aktif maddeler (surfaktanlar) ve blok kopolimerler gibi kendi kendine düzenlenen (self-assembly) moleküllerin oluşturduğu süpermoleküler yapıları ifade eder. Kalıp kaldırıldığında bu yöntemle 30 nm’ye kadar mezogözenekli yapılar üretilebilir. Baig, N., Kammakakam, I. and Falath, W., 2021. Nanomaterials: A review of synthesis methods, properties, recent progress, and challenges. Materials advances, 2(6), pp.1821-1871.

34. Yumuşak ve Sert Şablon Yöntemi 3 . Colloidal Template Method (Kolloidal Kalıp Yöntemi): Kalıp Oluşumu Kolloidal küreler, çözelti içinde veya substrat üzerinde kendiliğinden dizilerek (hexagonal close packing) 3 boyutlu bir düzenli ağ oluşturur. Bu yapı, opal yapısına benzer ve genellikle “colloidal crystal” olarak adlandırılır. Doldurma/Akıtma Kolloidal kürelerin arasındaki boşluklar öncü madde (prekürsör) ile doldurulur. Örn: Metal oksit solüsyonu, karbon kaynakları veya polimerler. Bu işlem dip-coating, spin-coating veya buhar biriktirme yöntemleriyle yapılabilir. Kalıbın Uzaklaştırılması Kolloidal küreler kimyasal (çözücüyle çözündürme) veya ısıl işlemle (kalsinasyon) ortadan kaldırılır. Geriye kürelerin boşluklarını taklit eden ters (inverse opal) yapı kalır. Optimal yüzey alanı (a₀): Molekül başına hidrofilik–hidrofobik dengeyi sağlayan yüzey alanıdır. Bu değer, surfaktan hangi yapıyı oluşturacağını belirler:

35. Püskürtmeli piroliz Ön madde çözeltisi atomize edilerek (sis haline getirilip) ısıtılmış substrat üzerine püskürtülür. Damlacıklar yüksek sıcaklıkta parçalanarak nanoyapılı film veya nanoparçacık oluşturur. Özellikle yakıt hücrelerinde (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) nanoyapılı elektrot üretimi için kullanılır. Farklı Teknikler: (a) CSD (Conventional Spray Deposition): Klasik püskürtme → ısıtılmış plaka üzerine çökelme. (b) USD (Ultrasonic Spray Deposition): Ultrason ile çok daha küçük damlacıklar → daha düzgün film. (c) ESD (Electrostatic Spray Deposition): Yüksek voltaj yardımıyla damlacıkların yönlendirilmesi → homojen tabaka. (d) FSD (Flame Spray Deposition): Alev destekli püskürtme → hızlı parçalanma ve ince nanoparçacık üretimi. Raduwan, N.F. Shaar, N. Kamarudin, S.K, Masdar, M.S. and Yunus, R.M. 2022. An overview of nanomaterials in fuel cells: Synthesis method and application. International Journal of Hydrogen Energy, 47(42), pp. 18468-18495

36. GaN Nanopartikül Sentezi – Spray Piroliz Yöntemi Ga(NO₃)₃ saf suda çözülür, LiCl ilavesi yapılır. Amonyak taşıyıcı gazla damlacıklar fırına püskürtülür. Sprey piroliz sonucu Ga₂O₃ nanoparçacıklar elde edilir. Yıkama işlemi ile tuz uzaklaştırılır. Nitridasyon → yüksek kristalinlikte GaN nanopartiküller (≈23 nm). Beşergil, B. (t.y.). Nanoyapı Sentez Metotları. Erişim adresi: https://bilsenbesergil.blogspot.com/p/9_76.html [Erişim tarihi: 22 Ağustos 2025]

37. FİZİKSEL BUHAR BİRİKTİRME YÖNTEMİ Sputter Tekniği Sputter (saçtırma) tekniği, bir hedef malzemeden koparılan atomların pozitif iyonlar yardımıyla bir altlık (substrat) yüzeyine fiziksel olarak biriktirilmesine dayanır.

38. FİZİKSEL BUHAR BİRİKTİRME YÖNTEMİ Magnetron sputtering, hedef malzemeden atom koparma verimini artırmak için manyetik alan kullanılan bir sputter yöntemidir. Avantajı: Daha yüksek kaplama hızı ve verim. https://www.researchgate.net/figure/Working-principle-of-magnetron-sputtering-deposition-process_fig4_281080946 [accessed 26 Aug 2025]

39. Litografi Litografi her biri birkaç basamaktan oluşan iki aşamaya ayrılır: Kalıp yonga plakası üzerinde fotorezist bir tabakaya transfer edilir. Fotorezist hafif hassas bir malzeme olup özellikleri belli dalgaboyundaki ışığa maruz kaldığında değişir. Bu işleme gelişme denir. Bu basamakta oluşan kalıp geçicidir ve kolayca uzaklaştırılabilir. Kalıbın transferi fotorezistten yonga kalıbına olur. Açıktaki yonga plaka yüzeyleri veya onun üzerine birikmiş tabakalar aşındırılabilir (malzemenin uzaklaştırılması). Katkılayıcı malzemeler kalıp boyunca yonga plakasının bölmelerine ilave edilir. Bu aşama son aşamadır ve oluşan kalıpları alttaki yonga kalıplarına zarar vermeden uzaklaştırma işlemi zordur.

40. Nanolitografi Nanobaskı (nanoimprint) lithografi, elektronik devrelerin veya nanoyapıların, kaplanmış bir substrat üzerinde görüntülenmesi için geliştirilmiş bir teknolojidir. Nanoimprint litografide polimer kaplama (resist) bir kalıpla (stamp) mekanik olarak deforme edilerek ve ışınlandırmayla kaplamanın kimyasal yapısı değiştirilmeden bir imaj oluşturulur. Nanoimprint litografi, diğer tüm litografi yöntemlerinde imkansız olan, geniş alanlar üzerinde 10 nm'den daha küçük nanoyapıların elde edilmesini mümkün kılar .

41. Nanol itografi Çeşitleri Optik litografi (fotolitografi), mikroelektronik teknolojisi kapsamında olan, farklı bir litografi tipidir. Fotolitografik prosesin aşamaları, Substrat yüzeyinin eser miktarlardaki farklı (organik, iyonik, metalik) safsızlıklardan kimyasal olarak temizlenmesi Temizlenmiş substrat yüzeyinin oksitlenerek koruyucu bir SiO 2 tabaka oluşturulması Oksitlenmiş yüzeyde ince bir fotohassas malzeme (fotorezist) çöktürülmesi Fotorezistin bir maske içinden pozlanması ve ışınlanmamış bölgelerden negatif fotorezistin veya ışınlanmış bölgelerden pozitif fotoresistinin çıkarılması (aşındırma) Fotolitografi

42. Nanolitografi Çeşitleri Elektron demet litografisi, direncin bir elektron demeti ile pozlandırıldığı litografik proseste kullanılan elektronik devreler teknolojisidir. İki elektron demet litografi sistemi vardır; tarama litografisi ve projeksiyon litografisi. Taramalı elektron demet litografide direnç, desen düzleminde sürekli olarak hareket eden odaklanmış bir elektron demetine maruz bırakılır (taranır). Elektron demeti, önceden tanımlanmış bir programa göre bir bilgisayar tarafından kontrol edilir; bu nedenle şablonlara veya maskelere gerek yoktur. Bununla birlikte görüntünün böyle ardışık taranması pozlama süresini arttırır.

43. Nanolitografi Çeşitleri Projeksiyon elektron demeti litografisinde geniş bir odaklanmamış elektron akışı, görüntünün tamamını bir pozlama ile elde etmek için kullanılır. Bu sistemde, fotokatot belirli bir model optik maskenin yüzeyinde bulunur. Ultraviyole ışınları fotokatot tabakasını bir maske boyunca ışınlar ve bu da görüntünün ışınlanmış bölgelerinde fotokatodtan gelen elektronların emisyonuna neden olur. Bu elektronlar, homojen elektrostatik ve magnetik alanlar kullanılarak direnç yüzeyine yansıtılır. Sonuçta görüntü, bir pozlamayla substratın tüm alanı üzerinde oluşturulur.

44. Nanolitografi Çeşitleri X-ışını Litografisi Bu yöntem fotolitografinin bir uzantısıdır. Buradaki tek fark ışık kaynağı olarak UV yerine X-ışınlarının kullanılmasıdır. Bu yöntemde direkt yazma veya kalıplama mümkün olmadığından bir maske kullanılması gerekmektedir. X-ışını litografisi, yapı bloğu entegreli mikro akışkan yapılar için kullanılmaktadır. Bu tekniğin, genetik ve mikroçipler, mikroelektroforez aletler gibi minyatürleştirilmiş aletlerin üretiminde uygulamaları olduğu bilinmektedir.

45. Nanolitografi Çeşitleri Yumuşak Litografi Bir soft baskılama türüdür. Polidimetilsiloksan (PDMS) mühür gibi masterlar üzerine mürekkebin kendiliğinden toplanan tek tabakalar (SAMler) halinde kalıplar oluşturmasını sağlar. Bir prepolimer olan PDMS'in düşük erime noktasından dolayı, üretim esnasında substrattan kolayca ayrılabilir.

46. Spinning Ergiyik spinning, ergimiş metalin soğutulmuş ve hızla dönen bir disk veya tambur yüzeyine püskürtülerek ultra hızlı soğutulmasıyla yapılan bir yöntemdir. Uygulanan Alaşımlar: Fe-Si-B, Fe-Cu-Nb-Si-B Al-Cr-Ce-M (M = Fe, Co, Ni, Cu) Bu alaşımlar amorf yapıda olur, kontrollü kristallendirme ile nanoyapılar oluşturulabilir. Ergiyik Spinning Tekniği

47. Spinning Elektro Spinning Tekniği

48. Mikro İşleme Mikro İşleme Mikrometre ölçeğinde işleme → ultra hassas üretim Havacılık, tıp ve elektronik sektörlerinde kritik rol Geleneksel işleme yöntemlerinden farkı: Hassasiyet ve ölçek: µm toleranslar Mikro takımlar: çok küçük, özel tasarım Çok yönlülük: metaller, polimerler, kompozitler Uygulamalar: yarı iletken, tıbbi cihaz üretimi Micro-EDM: Elektrik kıvılcımlarıyla sert metalleri işler, kalıp ve titanyum için ideal Kimyasal Mikro İşleme: Kontrollü aşındırma → metal, cam, silikon devre desenleri ECMM (Elektrokimyasal): Anodik çözünme, termal stres olmadan işleme Mikro-FIB: İyon ışınıyla hassas frezeleme/maske onarımı, MEMS üretimi Mikro-LBM: Lazer ile mikro desenler → yarı iletken devre kartı üretimi Mikro İşleme Teknolojileri ve Uygulamalar

49. Öğütme Bilyalı öğütme, genellikle karıştırma, harmanlama, şekillendirme ve parçacık boyutlarını küçültme yöntemi olarak bilinir. Ayrıca, son derece ince tozlar halinde öğütülen malzemeler üretmek için mekanik bir sentez yöntemi olarak da kullanılabilir . Bilyalı öğütmeyi sentez yöntemi olarak kullanırken öğütme sıcaklığı, değirmen tipi, öğütme hızı vb. gibi çeşitli faktörlerin dikkate alınması gerekir.

50. Öğütme Yörüngesel Öğütme, bu teknikte öğütme kavanozları hem kendi ekseni hem de merkezi bir eksen etrafında döner, böylece bilyalar çok yüksek hızda hareket ederek malzemeye hem çarpma hem de kesme kuvveti uygular. En önemli avantajı çok yüksek enerji sağlaması ve nanomalzeme üretiminde son derece etkin olmasıdır.

51. Öğütme Titreşimli Öğütme, bu yöntemde öğütme kabı, içine konan bilyalar ve malzemelerle birlikte yüksek frekansta titreştirilir. Titreşim hareketi sayesinde bilyalar malzeme yüzeyine sürekli çarpma ve sürtünme kuvveti uygular, bu da parçacıkları mikron-altı boyutlara kadar küçültür.

52. Çevre Dostu Sentez Çevre dostu, toksik olmayan biyolojik ajanlarla nanoparçacık üretimi Bitki, mantar, alg ve bakteriler → indirgeme ve stabilizasyon ajanı Temel Prensipler Doğal ve toksik olmayan reaktifler Enerji-verimli süreçler Atık ve yan ürün minimizasyonu Biyouyumluluk ve sürdürülebilirlik 1. Bitki Ekstraktı ile Sentez Kaynak: Yaprak, kök, meyve, kabuk Fitokimyasallar (polifenol, flavonoid vb.) → metal iyonlarını indirger Sonuç: AgNPs, AuNPs, CuNPs, FeNPs, PdNPs Shuaixuan Ying, Zhenru Guan, Polycarp C. Ofoegbu, Preston Clubb, Cyren Rico, Feng He, Jie Hong, Green synthesis of nanoparticles: Current developments and limitations, Environmental Technology & Innovation,Volume 26,2022,102336,ISSN 2352-1864,

53. Çevre Dostu Sentez 2. Mikroorganizma Tabanlı Sentez Çevre Dostu Sentez – Mikroorganizma Tabanlı Prensip: Bakteri, mantar, alg → enzimatik yollarla metal iyonlarını indirger. Örnek: Bacillus, Aspergillus → gümüş & altın nanoparçacık üretimi. Avantaj: Kontrollü boyut, düşük enerji ihtiyacı. Bahrulolum, H., Nooraei, S., Javanshir, N. et al. Green synthesis of metal nanoparticles using microorganisms and their application in the agrifood sector. J Nanobiotechnol 19 , 86 (2021). https://doi.org/10.1186/s12951-021-00834-3

54. Çevre Dostu Sentez 3. Enzim / Protein Destekli Sentez Prensip: Belirli enzimler veya proteinler metal iyonlarını indirger ve nanoparçacıkları stabilize eder. Avantaj: Homojen partikül boyutu, yüksek biyouyumluluk. 4. Doğal Polimer Tabanlı Metotlar Prensip: Nişasta, selüloz, kitosan gibi biyopolimerler → indirgeme + stabilizatör rolü. Avantaj: Polimer kaplama ile topaklanma önlenir, biyobozunur malzeme elde edilir. 5. Yeşil Sol-Gel Yöntemi Prensip: Bitkisel özler / doğal bileşiklerle metal alkoksitler → jel → nanomalzeme. Avantaj: Düşük sıcaklık, düşük toksisite, kontrollü boyutlu nanomalzeme üretimi.

55. Nano Ölçekli Ölçümlerde Kullanılan Cihazlar

56. 1. AFM (Atomic Force Microscopy) Açılımı: Atomik Kuvvet Mikroskobu Ne işe yarar: Malzeme yüzeyinin nanometre ölçeğinde topografisini (yükseklik profilini) ölçer. Yüzey pürüzlülüğü, partikül boyutu ve morfoloji gibi bilgileri verir. Nasıl çalışır: AFM, örnek yüzeyini bir prob (cantilever ve en uçta sivri bir tip) ile “dokunarak” inceler. Prob yüzeye yaklaştıkça, mekanik kuvvetler (van der Waals, elektrostatik vs.) nedeniyle cantilever eğilir. Bu eğim, üzerine yansıtılan bir lazer ışınının fotodiyoda yansıma açısını değiştirerek ölçülür. Geri besleme mekanizması (feedback) bu eğimi sabit tutmak adına z ekseninde çalışarak—örneğin probu yukarı/aşağı oynatarak—yüzey profilini çıkartır. Böylece yüzeyin üç boyutlu topoğrafik haritası elde edilir.

57. 2. XRD (X-Ray Diffraction) Açılımı: X-Işını Difraksiyonu Ne işe yarar: Malzemelerin kristal yapısını , kafes parametrelerini ve faz bileşimini belirler. Nasıl çalışır: XRD, kristal yapıdaki atomlar arasındaki periyodik düzeni analiz etmek için kullanılır. Monokromatik X-ışınları kristal içindeki atom düzlemlerine gönderilir. Bu düzlemlerden saçılan ışınlar Bragg yasasına göre konstruktif girişim oluşturduğunda dedektörde zirve sinyal oluşur: nλ=2d sin⁡θnλ=2dsinθ n — kırınım düzen sayısı (tam sayı), λ — X-ışını dalga boyu, d — atom düzlemleri arası mesafe, θ — darbe açısının yarısı. Farklı açılarda ölçülen yoğunluk grafiği (difraktogram), kristal yapı, faz bilgisi, birim hücre boyutları gibi verileri verir

58. 3. Fotolüminesans (PL - Photoluminescence) Ne işe yarar: Bir malzemenin elektronik bant yapısını , enerji seviyelerini, kusur durumlarını ve bant aralığını analiz eder. Nasıl çalışır: Bir maddenin bandgap’ından daha yüksek enerjili (daha kısa dalga boylu) bir ışıkla uyarılması sonucu, malzeme elektronlarının uyarılmış duruma geçmesi sağlanır. Elektronlar daha sonra enerji kaybederek temel seviyeye döner ve bu sırada bir foton yayımlar – bu bir PL sinyalidir. Diyagram genelde bir Jablonski diyagramıyla gösterilir. Floresans: S₁ → S₀ geçişinde hızlı yayılan ışık (<10 ns). Fosforesans: S₁ → T₁ → S₀ geçişi; daha uzun süreli ışık yayımı (mikrosaniyelerden saniyeye kadar).

59. 4. STM (Scanning Tunneling Microscopy) Ne işe yarar: Bir yüzeyin atomik ölçekli yapısını ve elektronik yoğunluğunu görüntüler. Nasıl çalışır: STM’de çok keskin bir metal ucunun örnek yüzeye çok yakın bir konumda (atomlara çok yakın) tutulmasıyla “tünelleme akımı” ölçülür. Bu, kuantum tünelleme mekanizmasına dayanır. Uç ile yüzey arasındaki mesafe çok küçük olduğunda elektronlar bu boşluktan tünelleyebilir; akım mesafeye son derece duyarlıdır. Sabit akımı korumak için geri besleme sistemi ucu z ekseninde hareket ettirir. Bu hareket verilerinden yüzeyin atomik seviyede topoğrafyası elde edilir.

60. 5 . SEM (Scanning Electron Microscopy – Taramalı Elektron Mikroskobu) Ne işe yarar: Malzemenin yüzey morfolojisini ve topografisini yüksek çözünürlükte görüntüler. Nasıl çalışır: SEM, bir örneğin yüzeyini yüksek enerjili elektron demetiyle tarayarak görüntü oluşturur. Temel süreç şöyle işler: Elektron Kaynağı: Elektronlar tungsten filament veya alan emisyon kaynağı ile üretilir. Odaklama: Elektromanyetik mercekler ve diyaframlar elektron demetini ince bir noktaya odaklar. Taramalı Yüzey: Odaklanmış elektron demeti örnek yüzeyini nokta nokta (rastgele değil, tarama şeklinde) dolaşır. Etkileşimler: Elektronlar örneğe çarptığında çeşitli sinyaller oluşur: Sekonder elektronlar (SE): Yüzey topografyasını verir. Geri saçılan elektronlar (BSE): Atom numarasıyla ilgili kontrast sağlar. X-ışınları: Element analizi için (EDS/EDX). Detektör: Bu sinyalleri toplayarak 2D yüksek çözünürlüklü bir görüntü oluşturur.

61. 6. TEM (Transmission Electron Microscopy – Geçirimli Elektron Mikroskobu) Ne işe yarar: Malzemenin iç yapısını , kristal yapısını ve atomik düzenini gösterir. Nasıl çalışır: TEM, ultraviyole ışık yerine yüksek enerjili elektron demeti kullanan güçlü bir mikroskop türüdür. Çalışma adımları özetle şu şekildedir: Elektron Demeti Oluşumu: Elektron tabancası (genellikle tungsten filament) tarafından üretilen elektronlar, yüksek gerilim altında hızlandırılır. Odaklama ve Lens Sistemi: Elektromanyetik mercekler, elektron demetini ultra-ince numune üzerinden doğru şekilde geçirecek şekilde odaklar. Numunenin İncelenmesi: Demet, kalınlığı genellikle 100 nm’nin altında olan çok ince bir numuneye gönderilir. Elektronlar numuneyi geçerken, numunenin iç yapısı ile etkileşime girerek bilgi taşır. Görüntü Oluşumu: Numuneyi geçen elektronlar, objektif mercekler aracılığıyla görüntü düzlemine yönlendirilir ve bu sayede örneğin iç yapısı, kristal yapı, ince detayları yüksek çözünürlükle gözlemlenir. Görüntü, floresan ekran, CCD kameralar veya dijital dedektörler üzerinde elde edilir. Vakum Gerekliliği: Elektronların hava molekülleriyle çarpışmaması ve odaklanmış demet elde edilebilmesi için sistem yüksek derecede vakum altında çalışır.

62. TEM ve SEM Görüntüleri