Ön Söz... xiii Teşekkür... xiv

Transkript

1 İÇİNDEKİLER Ön Söz... xiii Teşekkür... xiv Bölüm 1 NANOBİLİM VE NANOTEKNOLOJİ 1.1 Büyüklük Ölçekleri Küçük Sistemlerde Kuantum Mekaniği (Schrödinger in Kedisi) -Düzensiz Dalgalanmalar Nanoyapılarda Dalgalanmalar ve Kuantum Olayları Küçüklük ve Ölçekleme Yasaları Mekanikte Ölçekleme Elektromanyetizma ve Elektrikte Ölçekleme Optikte Ölçeklendirme Isı Aktarımında Ölçekleme Akışkanlarda Ölçekleme Biyolojide Ölçekleme Ölçekleme Yasalarının Doğruluğu Nanoparçacıkların Özellikleri Nanoparçacıkların Manyetik Davranışları Nanoyapılı Malzemelerin Mekaniksel Özellikleri Nanoparçacıkların Kimyasal Özellikleri Yaşayan Sistemlerle Etkileşen Nanoparçacıklar Nanoparçacıkların Bulunduğu Yerler Atmosferdeki Nanoparçacıklar Atmosferik Nanoparçacıklar ve Sağlık iii

2 1.6.3 Nanoparçacıklar ve İklim Denizde Aerosol (Asılı Parçacıklar) Uzayda Nanoparçacıklar ALIŞTIRMALAR Bölüm 2 KUANTUM MEKANİĞİNİN KISA ÖZETİ 2.1 Küçük Sistemlerde Fizik Parçacıklar ve Dalgalar? Elektronların Yerlerinin Belirlenmesi ve Heisenberg in Belirsizlik İlkesi Olasılık Genliği, Dalga Fonksiyonu ve Olasılık Dalga Fonksiyonları Dirac Gösterimi Pauli nin Dışarlama İlkesi Schrödinger Denklemi Değişmez (Sabit) Potansiyelde Schrödinger Denkleminin Çözümü Potansiyel Engelinden Tünelleme Bir Boyutlu Potansiyel Kuyusunda Parçacık Serbest Parçacıkların Durumlarının Yoğunluğu Tünelleme Olayı Hidrojen Atomu Çok Elektronlu Atomlar ve Periyodik Tablo Schrödinger Denkleminin Yaklaşık Çözüm Yöntemleri Kimyasal Bağlar Yoğunluk Fonksiyonel (Fonksiyonun Fonksiyonu) DFT Kuramı 78 ALIŞTIRMALAR iv

3 Bölüm 3 İSTATİSTİK MEKANİK VE KİMYASAL HAREKETLER 3.1 Çok Parçacıklı Sistemler Sistemlerin Entropi ve Kinetikle Hareketi Etkileşmeyen Parçacıkların Klasik Olasılık Dağılımları Entropi ve Boltzmann Dağılımı Eş Bölüşüm Teoremi Bölüşüm Fonksiyonu İdeal Bir Gazın Bölüşüm Fonksiyonu İdeal Bir Gazın Bölüşüm Fonksiyonundan Elde Edilen Serbest Enerji, Basınç ve Entropi Kuantum Gazları Dalgalanmalar Kimyasal Kinetik (Hareketler) Asit - Baz Tepkimeleri ve Kimyasal Denge Nanotermodinamik Dalgalanmalar ve Kuantum Mekaniği ALIŞTIRMALAR Bölüm 4 NANO YAPILARI BELİRLEME AYGITLARI 4.1 Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) Yüzey Kuvvetleri ve AKM Elektron Mikroskobu Taramalı Elektron (SEM) Mikroskobunun Çalışması Geçişli Elektron Mikroskobu (GEM) Geçişli Elektron Mikroskobunun (GEM) Çalışması v

4 4.3.4 Mikroskoplar Üzerine Başka Bir Bakış(Optiksel Mikroskop, Tarama Uçlu Mikroskoplar-STM, AKM) Flüoresansın Temel Olduğu Nano-Ölçme Teknikleri Optiksel Cımbızlar ALIŞTIRMALAR Bölüm 5 BAŞTAN AŞAĞI VE DİPTEN BAŞA NANOYAPILAR 5.1 Baştan Aşağı Nano Yapılar Baştan Aşağı Nano Yapı Fabrikaları Fotolitografi (Işıkla Yazma) Elektron Demetli Basma Resmi (Litografi) İnce Film Teknolojileri Odaklanmış İyon Demeti Öğütmesi (OID) Damga Teknolojisi Dipten Başa Nanoyapılar Dipten Başa Bileşim Yöntemlerinin Ortak Özellikleri Organik Bileştirmeler (Sentezler) Moleküller Arasında Zayıf Etkileşmeler Kabarcıklar ve Miseller Nanoteller ve Kuantum Noktaları DNA Nanoteknolojisi ALIŞTIRMALAR Bölüm 6 NANOELEKTRONİK 6.1 Temel Bilgiler Elektronların Enerji Bandları Enerji Dağılım Fonksiyonları vi

5 6.2.2 Durumların Yoğunluğu B, 2B, 1B, 0B Yoğunluk Fonksiyonları Bir İletkende Elektron Yoğunluğu Katının Atom Gibi Davranması Kuantum Sınırlaması (Hapsi) Kuantum Yapıları ve Yararları Sınırlama İçin Küçüklük Mertebesi Nedir? İletkenlerin ve Yalıtkanların Özel Kuantum Sınırlamaları (Hapsi) Karbon Fullerenler ve Nanotüpler Düşük Boyutlu Sistemlerde Elektron Taşınması İki Boyutlu Elektron Taşınması Bir Boyutta Elektron Taşınması Sıfır Boyutlu Elektron Taşınması Moleküler Elektronik Getirisi ALIŞTIRMALAR Bölüm 7 MOLEKÜLER ELEKTRONİK 7.1 Elektronik Devre Bileşenleri Olarak Moleküller Kimyasal Bağın Basit İşareti-Lewis Yapıları Moleküler Yörüngeler İçin Değiştirme Yaklaşımı Atom Yörüngemsilerinin Melezleşmesi Hückel Yöntemi Yerleşiksizlik Enerjisi Elektrokimyanın Rolü Eriyikte İyonlar Dengedeki Elektrotlar ve İyonlar vii

6 7.7.3 Moleküllerde Redoks Süreçleri Işığı Yüke Dönüştüren Molekülde Elektronların Gittiği Yer Moleküller Arasında Elektron Aktarılması Marcus Kuramı Zayıf Etkileşen Moleküler Katılarda Yük Taşınımı Atlama İletkenliği Moleküler Katılarda Konsantrasyon Gradienti, Akımı Sürer Bir Boyutlu İletkenler ve İletken Polimerler Tek Molekül Elektroniği Moleküler Elektroniğin Geleceği Spintronik ALIŞTIRMALAR Bölüm 8 ISI AKTARIMI 8.1 İletimle Isı Aktarımı Nano Yapılarda Sıcaklık İletkenliği Ortalama Serbest Yol ve Isı Taşıyıcılarının Saçılması Nanoyapılarda Enerji Dönüşümü Termoelektrikler Sıcaklık İletkenliğinin Kuantumu Yayınımla Isı Aktarımı (Konveksiyon) Işınımla Isı Aktarımı Artan Işınımla Isı Aktarımı ve Aralığın Önemi ALIŞTIRMALAR viii

7 Bölüm 9 FOTONLARIN VE MADDELERİN NANOÖLÇEKLİ ETKİLEŞMELERİ (NANOFOTONİK) 9.1 Fotonun Ortaya Konulması Nanomaddelerin Fotonsal Özellikleri Fotonun Soğurulması, Yayınlanması ve Saçılması Fotonların Metallerden Geçmesi Geçirgenlik ve Serbest Elektron Plâzması Metal Parçacıkların Sönme Katsayısı Renkler, Altın ve Gümüş Parçacıklarının Rolü Yarı İletkenler Nanoölçekli Yarı İletkenlerin Band Aralığını Ayarlama Renkler ve Kuantum Noktalarının Yararı Kuantum Noktaları ile Güneşten Daha Çok Işık Çekmek-Güneş Panelleri Kuantum Sınırlamaya Dayanan Lazer Yakın-Alan Işığı Optik Mikroskoplarda Sınırlar Yakın-Alan Optiksel Mikroskoplar Fotonlar ve Optiksel Cımbızlar Fotonsal Örgüler ve Fotonların Band Aralığı Boşluk ve Elektromanyetik alanın Sıfır-Noktası Enerji Yoğunluğu Planck Ölçeği ve Uzunluğu Casimir Kuvveti ALIŞTIRMALAR ix

8 Bölüm 10 NANOÖLÇEKLİ AKIŞKANLAR MEKANİĞİ VE NANOBİYOTEKNOLOJİ 10.1 Kesiksizlik Kavramı Sıvı Yüzeyinde Kuvvetler (Basınç ve Makaslama) Akışkan Hareketi: Moleküler Dinamik Biçimi Reynold Sayısı Yüzey Yükleri ve Elektriksel İkili Tabaka Elektrokinetik Olaylar Küçük Akışlarda Küçük Parçacıklar (Moleküler Yayılma) Nanoölçekte Sıvıların Akışı Basınçla Sürülen Akış Yerçekimi ile Sürülen Akış Elektroosmos Nanoakıcıların Uygulamaları Biyomoleküllerin Çözümlenmesi: Ağrılı Doktor Vizitlerine Son Elektroosmotik Pompalar: Bilgisayar Yongalarının Soğutulması Nanobiyoteknoloji Nanoölçekte Biyolojik Biçimler Nanoölçekte Eylemsizlik ve Yerçekiminin Öneminin Olmaması Sıcaklıksal Rastgele Hareketler Hücrenin Makine Benzerliği Şekerler, Enerji ve Yapı için Kullanılır Glükoz Yağ Asitleri Yapı ve Enerji İçin Kullanılır Fosfolipidler x

9 Nükleotidler, Bilgi Depolama ve Kimyasal Enerjinin Taşınmasında Kullanılır Deoksiribonükleik Asit AdenosinTrifosfat Amino Asitler Protein Yapmakta Kullanılır Adenosintrifosfat (ATF) Biyolojinin Benzinidir Enzimlerin Kolaylaştırışı ALIŞTIRMALAR Bölüm 11 NANOTEKNOLOJİ ARAŞTIRMA VE UYGULAMALARI Çevre ve Enerji İçin Nanoteknoloji Nanoteknoloji Kullanarak Elde Edilen Güneş Gücü Nanoteknoloji ve Giyim Eşyaları (Tekstil) Nanoteknoloji Tekstil Gelişmeleri Gösterişli Materyaller Tekstil ve Elektronik Nanobileşik Maddeler Gaz Engelleri Oksijen Engelleri Gıda Paketleme Yakıt Tankları Filmler Çevrenin Korunması Yanabilirliğin Azaltılması Killer ve Killerin Biraz Değiştirilmesi Killere Dayanan Suni Nanobileşikler Polimer Yerleştirme xi

10 11.5 Nanobilgisayar (Öne Sürülen Nanobilgisayar Türleri) Nanoteknoloji ve Daha Küçük Oluş Silisyumun geleceği (DNA bilgisayarları) Kuantum Bilgisayarları Uzay Çalışmalarında Nanoteknoloji Uzay Çalışmalarındaki Yararlar Nanoteknolojinin Haberleşme Uygulamaları Optik Uygulamalar Mikroelektromekanik Sistemler Mekanik Titreşkenler Kuantum Noktası Lazeri Fotonik Kristaller İnce Film Optiği Nanoelektronik Alıştırmaların Çözümleri Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Bölüm Ekler Kaynaklar Dizin xii