Karbon Nanotüp Nedir? Uygulama Alanları Nelerdir?

Karbon nanotüpler hibritleşmiş karbon atomlarının altıgen düzenlenmesinden oluşan karbon allotroplarıdır.^{[1], [2]} Silindirik tüplerle birleştirilirler ve tek bir grafen tabakası veya Van der Waals kovalent olmayan kuvvetler aracılığıyla bağlanan birden fazla grafen tabakasıyla oluşturulabilirler.^[3] Tek duvarlı karbon nanotüpler, 1-2 nm çapında yuvarlanmış bir grafen tabakasından oluşurken çok duvarlı karbon nanotüpler çapı 100 n'ye kadar olan ikiden fazla yuvarlanmış grafen tabakasından oluşmaktadır.^[4]

Embedded Computing Design

KNT'ler sahip oldukları yüksek yüzey alanı, gelişmiş iletkenlik, mekanik dayanıklılık, biyouyumluluk, fonksiyonelleştirilebilme gibi özellikleri sayesinde endüstriyel, çevresel ve biyomedikal gibi çeşitli alanlarda yaygın kullanım alanına sahiptir.^[3] Ayrıca KNT'ler; kolayca sentezlenebilmeleri, boyutlarının kontrol edilebilir olması, yüzey kimyası ile spesifik olarak işlevselleştirilebilmeleri gibi özelliklerinden dolayı çok geniş ölçekli alanlarda uygulanabilmektedir.

Karbon Nanotüplerin Tarihçesi

Karbon nanotüpler ilk olarak 1991 yılında keşfedilmiş ve daha sonra 1993 yılında Iijima ve Ichihashi tarafından 1 nanometre çapında tek duvarlı karbon nanotüp sentezi rapor edilmiştir.^{[5], [6]}

NEC

1952 yılında Radushkevich ve Lukyanovich, Journal of Physical Chemistry'de 50 adet karbon nanotüpün net bir görüntüsünü yayınlamışlardır.^[7] Ancak bu buluş, o dönem Sovyetler Birliği'ndeki siyasi durum nedeniyle büyük ölçüde göz ardı edilmiştir. Buna rağmen Radushkevich ve Lukyanovich, karbon filamanlarının içi boş olabileceğini ve nano ölçekli çaplara sahip olabileceğini bulmaları ile yani karbon nanotüpleri keşfetmeleriyle tanınmaktadırlar.

John Abrahamson ise 1979'da Pensilvanya Devlet Üniversitesi'nde iki yılda bir düzenlenen 14. Karbon Konferansı'nda karbon nanotüplere ilişkin bazı bilgiler vermiştir. Karbon nanotüpleri, ark deşarjı sırasında bir karbon anot üzerinde üretilen karbon fiberler olarak tanımlamış; bu fiberlerin özelliklerini açıklamış ve düşük basınçlı nitrojen atmosferinde oluştuklarını belirtmiştir.^[8]

Karbon Nanotüplerin Kullanım Alanları

Lijima'nın 1991'deki araştırmasından bu yana bilim insanları, mükemmel mekanik ve elektrokimyasal özelliklerinden dolayı birçok uygulama için geliştirilen karbon nanotüplere odaklanmıştır. Karbon nanotüplerin kullanıldığı bazı alanlara göz atalım.

Endüstriyel Uygulamalar

Havacılık ve uzay sanayi alanında yaşanan hızlı gelişim ve dönüşümle birlikte, mevcut olarak geliştirilen teknolojiler, yeni çağın ihtiyaç ve taleplerini karşılayabilecek potansiyele sahip değildir. KNT bazlı nanokompozitler; termal kararlılık, kimyasal stabilite, geniş yüzey alanı gibi gelişmiş özellikleri sayesinde son yıllarda uçaklarda, askeri araçlarda, füzelerde ve uzay araçlarında kullanılmak üzere büyük ilgi görmektedir.

Araştırma ve gelişmeler, nanoteknolojik uygulamaların beton ve çelik gibi geleneksel inşaat malzemelerinin performansını artırabileceğini de göstermektedir. Ayrıca KNT'lerin inşaat sektöründe kullanılan beton ve çelik gibi malzemelerin dayanıklılığını arttırdığı da gösterilmiştir. Ayrıca nanokapsülleme teknikleri kullanılarak oluşturulan çevreye duyarlı, korozyon önleyici kaplamalar da umut verici bir gelişme olarak yerini almaktadır.

Pestisitler, katkı maddeleri ve hayvansal ilaç kalıntıları gibi yaygın gıda kirleticileri, gıda güvenliği açısından tehlike teşkil etmektedir. Karbon nanotüpler (KNT'ler) bu gıda kirleticilerinin hızlı, pratik ve ekonomik olarak tespiti için de önemli bir yere sahiptir.

Çevresel Uygulamalar

Geleneksel fosil yakıtların kullanımı, enerji ve çevre kirliliğine yol açan önemli bir küresel sorundur. Geleneksel fosil yakıtlardan enerji üretimi, çevresel kalitenin bozulmasının ve çevre kirliliğinin ana sorumlusu olarak tanımlanmıştır. Bu sorunları çözmek için nanoteknoloji; enerji dönüşümü ve enerji depolaması, çevresel izleme ve çevre dostu malzemelerin yeşil mühendisliğine yönelik cihaz uygulamalarında devrim yaratmada önemli bir rol oynamaktadır. Karbon nanotüpler ve bunların hibrit nanokompozitlerine olan ilgi eşsiz yapısal, elektronik ve mekanik özelliklerinden dolayı her geçen gün artmaktadır.

Karbon nanotüpler; Güneş pilleri, yakıt hücreleri, hidrojen depolaması, lityum iyon pilleri ve elektrokimyasal süper kapasitörler gibi enerji dönüşümü ve depolaması çözümlerinde; gaz kirleticilerin, patojenlerin tespiti ve uzaklaştırılması için çevresel izleme ve atık su arıtımında önemli bir yere sahiptir. Karbon nanotüpler ayrıca; boyaların, ağır metallerin ve pestisitlerin uzaklaştırılması ve yeşil nanokompozit tasarımı için ideal adaylardır.

Biyomedikal Alanda Uygulamalar

KNT'ler tıp, ilaç dağıtımı, genetik mühendisliği, biyosensörler ve yapay implantlarda multidisipliner olarak uygulama alanı vaat etmektedir. ^[4]

Fonksiyonelleştirilmiş KNT'ler doğaları gereği immünojenik değildir; ancak hücresel geri alımdan sonra monositler, makrofajlar ve dendritid hücreler dahil olmak üzere bağışıklık sistemi hücrelerini aktive etme kapasitesine sahiptir. Ayrıca, tek duvarlı karbon nanotüplerin aşı çalışmalarında bağışıklık uyarıcı adayları ve antijen taşıyıcıları olarak uygulanması önerilmiştir. Ek olarak nano akışkanların ana türü olan nano-süspansiyonlar; ilaç dağıtımı, tıbbi tedavi, hastalık teşhisi, anti-bakteriyelliği sağlama gibi uygulamalarıyla biyomedikal açıdan oldukça işlevseldir.

Karbon nanotüpler (KNT'ler) kanser tedavisinde en yaygın kullanılan nanopartiküllerden biridir. KNT'ler hem kanser teşhisinde hem de tedavisinde kullanılmaktadır. Bu konu hakkındaki ilk incelemelerden biri Yang ve arkadaşları tarafından yapılmıştır. KNT'lerin geniş yüzey, konjugasyon yeteneği ve ilaçların kapsüllenmesi gibi özellikleri sayesinde kanser tedavisi ve teşhisi için iyileştirici bir ajan olduğu belirtilmiştir.

KNT'lerin ayrıca antimikrobiyal aktivite gösterdiği de bilinmektedir. KNT'lerin bu özelliği çoklu ilaca dirençli bakteriyel enfeksiyonlar nedeniyle Dünya çapında morbidite ve mortalitedeki endişe verici artış göz önüne alındığında özellikle önemlidir. KNT'lerin geleneksel antibiyotik tedavilerinden daha etkili ve uygun maliyetli olabileceği ve çoklu ilaca dirençli bakterilerin ortaya çıkışını engelleyecek yüksek potansiyele sahip oldukları düşünülmektedir.

KNT'ler antimikrobiyal etkinin yanında anti biyofilm özellik de göstermektedir. KNT'ler biyolojik olarak uyumludur ve ilaç dağıtım sistemleri olarak kullanılabilirler. Bir yüzeye sabitlendiklerinde, süspansiyon halindeyken veya polimer nanokompozitlere gömüldüklerinde biyofilm oluşumunu açıkça sınırlandırabilirler. Ayrıca, KNT yapılarının bir dizi antibiyotiğe bağlandığı ve böylece antibiyotiklerin etkisini arttırdığı gözlenmiştir.

Karbon Nanotüplerin Avantajları ve Dezavantajları

Karbon nanotüpler ile ilgili avantajlar şu şekilde sıralanabilir:^[9]

1. Küçük ve hafif olmaları, onları metalik tellerden daha iyi bir alternatif haline getirmektedir.
2. Karbon nanotüp sentezi için gerekli malzemelere ulaşım kolaydır ve genelde minimum malzeme ile sentezlenirler.
3. Sıcaklığa dayanıklıdırlar, bu da aşırı soğukta ve aşırı sıcakta iyi çalıştıkları anlamına gelmektedir.

Dezavantajlar ise şu şekilde sıralanabilir:

1. Küçük oldukları için onlarla çalışmak zordur.
2. Nanotüp üretme tekniği şu anda oldukça maliyetlidir.
3. Bu yeni teknolojiyi uygulamak ve mümkün olan tüm alanlarda eski ekipmanı değiştirmek maliyetli olacaktır.

Gelecekteki Potansiyel Uygulamalar

Karbon nanotüplerin gücü ve esnekliği, onları diğer nanoölçekli yapıların kontrolünde potansiyel olarak kullanılmalarını sağlayabilir. Bu durum da karbon nanotüplerin gelecekte nanoteknoloji mühendisliğinde önemli bir role sahip olacağını göstermektedir. İleride KNT'lerin kullanımının mümkün olabileceği alanlar arasında şunlar sayılabilir:

• Esnek Elektronikler: Karbon nanotüplerle daha kırılgan malzemelerden yapılmış mevcut elektroniklerin yerini alabilecek, esnek ve bükülebilir elektronik cihazlar geliştirmek mümkün olacaktır.^[10]
• Biyoelektronik Burun: Gelecekte uyuşturucu koklayan köpeklerin yerini, "biyoelektronik burunlar" adı verilen, koku alma reseptör proteinleri ve karbon nanotüp transistörlerinden oluşan malzemelerin alabileceği öngörülmektedir. Charlie Johnson liderliğindeki bir grup araştırmacı, "koklama" yeteneğine sahip bir karbon nanotüp transistörü üzerinde çalışmakta ve biyolojik proteinlerin algılama özelliklerini farelerden elektronik cihazlara aktarmaktadır.^[10]
• Nano Hoparlörler: Nano hoparlörlerin mekanizması, gök gürültüsü oluşma sistemine dayanmaktadır. Nano hoparlörlerde, tüplere elektrik akımı uygulandığında hava ısınıp genleşmekte ve bu durum ses dalgalarının oluşmasına neden olmaktadır. Buna termoakustik etki denir ve çalışma şekli standart hoparlörlerden oldukça farklıdır. Geleneksel hoparlörler hava moleküllerindeki titreşimlerden ses üretirken nanohoparlörler hiçbir şekilde titreşim yaymamaktadır.^[10]
• Güneş Panelleri: Tek duvarlı karbon nanotüplerin güçlü UV soğurma kapasitesi sayesinde güneş panellerinde kullanılmaları çok umut verici bir uygulama olarak öngörülmektedir. 2007 yılında New Jersey Teknoloji Enstitüsü, karbon nanotüpleri kullanarak güneş pilleri geliştirmiştir. Bu noktadan itibaren, bu güneş pillerinin verimlerini artırmak ve güneş panelleri geliştirmek için çok sayıda çalışma yapılmıştır.
• Hidrojen Depolama: KNT'lerin elektrik enerjisini depolayabilmelerinin yanı sıra, daha sonra yakıt kaynağı olarak kullanılabilecek hidrojeni depolama kapasiteleri üzerine de bazı araştırmalar yapılmıştır. Küçük karbon nanotüplerin kılcal etkilerinden yararlanılarak içlerindeki gazların yüksek yoğunluklara yoğunlaştırılmasının mümkün olduğu bilinmektedir. Bu durum gazların, özellikle de hidrojenin sıvıya dönüşmeden yüksek yoğunlukta depolanmasına olanak tanımaktadır.