İTÜ’lü Bilim İnsanlarının Nanoteknoloji Projelerine Önemli Destek
İTÜ Öğretim Üyesi Prof. Dr. Levent Trabzon’un yürütücüsü olduğu projede, İTÜ öğretim üyelerinden Prof. Dr. Mehmet Ramazanoğlu, Dr. Öğr. Üyesi Caner Ünlü ve İstinye Üniversitesi öğretim üyelerinden Doç. Dr. Şener Özönder araştırmacı olarak görev alıyor. Proje, farklı bölümlerden öğretim üyelerinin bir sinerji oluşturarak birlikte yenilikçi bir teknoloji geliştirmeleri açısından da önem kazanıyor.
İTÜ Kurumsal İletişim Ofisinin, Prof. Dr. Levent Trabzon ve diğer araştırmacı öğretim üyeleri ile yaptığı röportajda, proje hakkındaki detaylara ulaşabilirsiniz.
Bu projede kullandığınız kuantum noktaları nelerdir?
Prof. Dr. Levent Trabzon: Kuantum noktaları dediğimiz şeyler yaklaşık 300 atomluk molekül – kristal arası nanoyapılar. Bu nanoyapılar güneşten gelen ve insan gözünün göremediği morötesi ışığı soğurmayı çok seviyor. Kuantum mekaniği kanunlarına göre, bu nanoyapılar soğurdukları morötesi ışığın enerjisini görülür ışığa çeviriyorlar. Kuantum noktalarının yaydıkları görünür ışığın rengi ise bu nanoyapıların büyüklüklerine (atom sayısı) göre değişiyor. Bugün artık kuantum noktaları teknolojisini kullanan monitörleri ve televizyonları ("QLED") mahallemizdeki elektronik mağazalarından almamız mümkün.
Projeye neden gerek duyuldu? Bilim dünyası ve toplumsal açıdan önemini anlatabilir misiniz?
Dr. Öğr. Üyesi Caner Ünlü: Bu proje, nanoteknolojinin etkin üretimi ve kullanımı açısından İTÜ ve Türkiye için büyük bir önem arz ediyor. Biz bu projede, kısaca anlatmak gerekirse, kuantum noktalarının ışığı yüksek kapasitede soğurma özelliklerini kullanarak güneş pilleri yapacağız. Bu projenin yeniliği indiyum veya kadmiyum gibi canlılar için zehirli atomların yerine canlılığın temelini oluşturan karbon atomlarını kullanacağız. Aslında kullandığımız malzeme kurşun kalemin ucu olan grafitin iki boyutlu tabakaları, buna grafen deniyor ve altıgen bal peteği örgüsü şeklinde konumlanmış karbon atomlarından oluşuyor. 2010 Nobel Fizik Ödülü bu çalışmaya verilmişti. Grafen kuantum noktalar ise en basit tabirle, çok çok küçük grafen nanoyapılar. O kadar küçük ki, göz ile hatta normal bir mikroskop ile görmek imkansız. Ancak ve ancak elektron mikroskobu ile gözlemlenebiliyorlar.
Grafenin en önemli özelliği canlılar için zehirli olmaması. Bu sadece tabiatın korunması noktasında fayda sağlamıyor. Mesela bir bakterinin hareketlerini takip etmek için onu ışık soğuran ve salan kuantum noktası ile etiketleyebiliyorsunuz veya insan gözü içine ışığı soğuran bir çip yerleştirmek istiyorsunuz. Tüm bunlarda kullanacağınız materyalin canlı bünyesi için zehirli olmaması gerekiyor. Karbon atomlarından oluşan grafenin burada avantajı büyük, zira vücudumuzun %18'i zaten karbondan oluşuyor.
Grafen temelli kuantum noktalarının bir diğer avantajı da laboratuvarda kolay sentezlenmeleri. Bu harika materyali sentezlemek için biraz limon suyu (sitrik asit), biraz idrar (üre) ve biraz da bor atomlarını karıştırıp biraz ısıtmak yeterli (evde denemeyin!). Burada sitrik asit karbonun kaynağı ve grafen kuantum noktaları oluşturmak için olmazsa olmaz bir madde, azot (üre) ve bor ise bize yapı üzerinde kontrol imkanı sağlıyor. Çıkan ürüne morötesi ışık veriyoruz ve kırmızı, yeşil, sarı, mavi gibi bütün görünür ışık renklerinde ışımalar alıyoruz.
Güneş pilleri bağlamında ise grafen kuantum noktalarının avantajı güneşten gelen sadece görünür ışığın değil, aynı zamanda morötesi frekanslardaki ışığı soğurabilmesi ve bunu elektrik enerjisine dönüştürebilme kapasitesidir.
Projenin genelden özele hangi amaçları var? Hangi sorudan yola çıktınız, neyi hedeflediniz?
Prof. Dr. Levent Trabzon: Bu projenin kapsamı iki boyutlu bal peteği örgüdeki karbon atomlarından (grafen) güneş pilleri geliştirilmesidir. Zehirli olmayan, canlılık ve doğa ile uyumlu olan, ışığı soğurma kapasitesi güçlü olan ve aynı zamanda da kolay sentezlenebilen bir malzeme arıyorduk, bunun için en uygun olan malzeme grafen olduğu için projemizin merkezine grafeni koyduk.
Proje ne kadar zaman aldı /alacak? Nasıl bir veri kullanıldı?
Doç. Dr. Şener Özönder: Proje iki yıl sürecek. Grafen malzemelerin sentezi için ön denemelerimizi yaptık, malzemeleri etkin bir şekilde sentezleyebiliyoruz. Peki, bu malzemelerin en yüksek performansı verecek molekül büyüklüğü nedir? Aynı şekilde, sentez aşamasında grafene biraz azot ve ülkemizde bolca bulunan bor gibi atomları eklediğimiz zaman malzemenin ışığı soğurma performansı nasıl değişir? Şu an bu sorulara cevap arıyoruz. Bunun için İTÜ Maslak kampüsünde bulunan Ulusal Yüksek Başarımlı Hesap Merkezi'ndeki süper bilgisayarlarda yapay zeka optimizasyon metotları da kullanarak kuantum simülasyonları yapacağız. Böylece bilgisayar simülasyonları bize performans açısından en ideal büyüklüğe ve karışıma sahip grafenin yapısını söyleyecek, biz de sentezlerimizi bu bilgilere göre yapacağız.
Projenin ekonomik boyutu ve pazar hedefi konusunda neler söylersiniz?
Prof. Dr. Mehmet Ramazanoğlu: Enerji, ülkelerin harcamalarındaki en büyük kalemlerden birisi ve güneş enerjisinin etkin bir biçimde kullanılması yönünde tüm dünyada bir inisiyatif var. Kolay üretebilen ve zehirli olmayan güneş pillerinin hem ülkemizde kullanımı hem de yurtdışına ihraç edilmesi konusunda adımlar atıyoruz.
Ayrıca üretilen kuantum noktalarının ara ürün olarak satılması da mümkün. Bu konuda Avrupa'da ve Kuzey Amerika'da halihazırda zaten bir talep var. Önceden bahsettiğimiz gibi, kuantum noktaların televizyon üretiminden yapay retina üretimine kadar çok geniş uygulama alanları var.
Proje bilim dünyası ve ülkemiz için nasıl bir değer yaratacak?
Prof. Dr. Levent Trabzon: 2010 yılı Nobel Fizik Ödülü grafene verilmişti. O günlerden beri grafenin ilginç elektrik ve ısı transferi özelliklerinin uygulamaları araştırılıyor. Bizim projemiz grafenin ışık soğurma özellikleri ile alakalı ve güneş pilleri uygulaması da bilim dünyası için heyecan verici.
Grafenin nanoteknoloji ile birleşerek grafen kuantum nokta olarak daha işlevsel hale gelmesi ve hemen hemen her türlü araştırma alanında kullanılmaya başlanması ise projeyi önemli hale getiren başka bir boyut. Nanoteknoloji, tüm dünyada çok popüler ve bilimi yönlendiren bir konu. Bu konuyu ülkemizde daha etkin bir şekilde çalışmalıyız. Nanoteknolojiyi kullanan bir ülke olmanın yanı sıra nanoteknolojiyi üreten bir ülke haline gelmek için bu ve bu tarz projelere daha çok önem vermeliyiz.
Diğer taraftan projemizin temiz ve ucuz enerji ve tabiat dostu zehirli olmayan malzemeler kullanılması açısından da toplumsal faydası var.
Araştırmacılarıcıların Kısa Özgeçmişleri
Prof. Dr. Levent Trabzon, lisans derecesini Boğaziçi Üniversitesi Makine Fakültesinde tamamladıktan sonra, yüksek lisansını Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünde Carnegie-Mellon Üniversitesinde, ve doktora çalışmasını ise Uygulamalı Fizik konusunda Penn State Üniversitesinde tamamlamıştır. Halen İTÜ Makina Fakültesi öğretim üyesidir ve Nanoteknoloji Uyg-Ar Merkezi’nin direktörlüğünü yürütmektedir. Nanoüretim, polimer-nano-kompozitler, mikroakışkanların sistemler ve sensör bilimi ve uygulamaları üzerine çalışmalarını yürütmektedir. Son beş yılda 7 patent başvurusu yapmıştır. Çalışmalarından dolayı birçok ulusal ödül kazanmıştır. MEMS çalışmalarıyla 2012 yılı Elginkan Vakfı Teknoloji Ödülü’ne layık görülmüştür.
Prof. Dr. Mehmet K. Ramazanoğlu, lisans derecesini Hacettepe Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümünde tamamladıktan sonra yüksek lisans eğitimi için sırasıyla Bilkent, Hacettepe ve Florida State Üniversiteleri Fizik Bölümlerinde eğitimine devam etmiştir. Doktora derecesini University of Toronto’ da 2007 yılında tamamlamıştır. Doktora sonrası çalışmalarını, McMaster ve Rutgers Üniversitelerinde yaptıktan sonra DOE Ames Laboratuvarı’nda yardımcı araştırmacı olarak bulunmuş ve 2014 tarihinde üniversitemizin Fizik Mühendisliği Bölümüne öğretim üyesi olarak atanmıştır. Katı ve yumuşak yoğun madde konularında çalışmalarına bu bölümde devam etmektedir.
Doç. Dr. Şener Özönder, lisans derecesini ODTÜ Fizik Bölümünde tamamladıktan sonra doktorasını 2013'te ABD'de University of Minnesota'da fizik bölümünden aldı ve daha sonra University of Washington'da doktora sonrası araştırmalar ve hocalık yaptı. 2016’da Türkiye’ye döndükten sonra Koç Üniversitesi ve İTÜ’de araştırmacı olarak çalışan Dr. Özönder, 2019’dan beri İstinye Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünde öğretim üyesidir. Dr. Özönder, kuantum noktalarının özelliklerini bilgisayar ortamında kuantum simülasyonları yaparak incelemektedir.
Dr. Öğr. Üyesi Caner Ünlü, lisans derecesini Bilkent Üniversitesi Kimya Bölümünde tamamladıktan sonra İYTE – Kimya Bölümünde kimya alanı üzerine yüksek lisans yaptı ve 2015’te Hollanda’nın Wageningen Üniversitesinden Biyofizik alanı üzerine doktorasını aldı. Bir süre Fransa’da bulunan Universite de Bordeux’da doktora sonrası araştırmalarını yürüttü ve 2017 yılında İTÜ – Fen-Edebiyat Fakültesi / Kimya Bölümünde Dr. Öğr. Üyesi olarak çalışmaya başladı. Kendisi kuantum nokta sentezi ve kuantum noktaların biyoteknolojide kullanımı üzerine çalışmalarına devam etmektedir.
