Dünyanın En Küçük ve En Hızlı Nanomotoru

Austin’deki Texas Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, dünyanın en küçük ve en hızlı nanomotorunu üretti. Nanometre (metrenin milyarda biri) ölçeğinde boyutlara sahip nanotellerin nanomıknatıslar üzerine yerleştirilmesiyle üretilen nanomotorlar dakikada 18.000 kez dönebiliyor ve 15 saat boyunca çalışabiliyor. Geliştirilen teknolojinin gelecekte pek çok alanda faydalı olacağı düşünülüyor. Örneğin nanomotorlar canlı hücrelerin içine kimyasal maddeler dağıtmak için ya da nanometre ölçeğindeki elektromekanik sistemlerde (elektrik enerjisi ile çalışan mekanik sistemlerde) kullanılabilir.

Bir tür nanoelektromekanik cihaz olan nanomotorlar, elektrik enerjisini nanometre ölçeğindeki mekanik hareketlere dönüştürmesi bakımından önemli. Küçük motorlar üretmek için kullanılan geleneksel yöntemler, hem çok karmaşık hem de çok zahmetli süreçler içeriyor. Örneğin mikrometre (metrenin milyonda biri) ölçeğindeki elektromekanik cihazların üretim süreci, yüzlerce aşamadan oluşuyor. Üstelik bu cihazların hem verimi düşük hem de ömürleri kısa. Bugüne kadar üretilmiş, dönme hareketi yapan mikroelektromekanik cihazların en uzun ömürlüsü sadece birkaç saat çalışabildi. Dolayısıyla mikro ölçekteki cihazların üretimi için kullanılan geleneksel yöntemlerin çok daha küçük olan nanocihazlarda başarılı olma ihtimali zayıf. Bu yüzden araştırmacılar nanomotorların üretimi için yeni yöntemler geliştirmiş.

Üretilen nanomotorlar, çapı 150 ila 400 nanometre, uzunluğu 800 ila 1000 nanometre olan pervanelerden; çapı 200 ila 2000 nanometre olan mıknatıslardan ve cihazın sabitlenmesini sağlayan mikroelektrotlardan oluşuyor. Mıknatıslar üç katmandan oluşuyor. Krom içeren en alt katman mıknatısın bir yüzeye tutunmasını sağlıyor. Ortadaki katman, etrafında manyetik alan oluşturan malzemeler içeriyor. En üstteki altın katman ise manyetik katman ile pervane arasındaki mesafenin hassas bir biçimde ayarlanmasını sağlıyor. Böylece manyetik kuvvetin pervanelerin mıknatısa tutunmasını sağlayacak kadar kuvvetli, ancak dönmesini engellemeyecek kadar zayıf olması sağlanabiliyor.  Pervaneler ise altın ve nikel kullanılarak üretilmiş.

Araştırmacılar nanomotorların üretimi sırasında iki temel sorunun çözümü için çabalamışlar: pervanelerin mıknatısların üzerine tutturulması ve pervanelerin döndürülmesi. Bu sorunların çözümü için yeni geliştirilen bir yöntem kullanılmış. “Elektrik cımbızları” adı verilen yöntem nanotellerin ve nanotüplerin bir rotayı takip ederek belirli bir noktanın civarına taşınmasına ve istenilen bir hız ve açı ile döndürülmesine imkân veriyor. Elektrik alan kullanılarak mıknatısların yakınına taşınan nanoteller, manyetik kuvvetler sayesinde mıknatıslara tutunuyor. Üstelik sadece birkaç saniye süren bu aşama tamamlandıktan sonra yalnızca elektrik alan kullanarak nanotelleri mıknatıslardan ayırmak mümkün olmuyor. Mikroelektrotlara dalgalı akım (genliği ve yönü belirli sürelerle değişen elektriksel akım) uygulandığı zaman nanoteller saat yönünde ya da saat yönünün tersi yönde dönmeye başlıyor.

Cockrell School of Engineering at The University of Texas

Araştırmacılar geliştirdikleri nanomotorların sağlamlığını, verimliliğini ve kontrol edilebilirliğini de incelemiş. Kullanımı kolay bir yazılım sayesinde motorlar düzenli diziler halinde sıralanabiliyor. Araştırmacılar, kendi geliştirdikleri bu yazılımı kullanarak bir dakikadan kısa bir süre içerisinde dört motoru 2x2’lik bir düzende sıralayabilmiş.

Motorların azami dönüş hızı, uygulanan dalgalı akımın frekansına bağlı olarak değişiyor. Deneyler sırasında dakikada 18.000 devirlik hıza ulaşılmış.

Motorların daha da küçük yapılmasını sınırlayan bir fizik yasası olmasa da motorların boyutları küçüldükçe bütün motorların aynı hızla dönmesini sağlamak zorlaşıyor. Nanomotorların daha ne kadar küçültülebileceğinin, motorların içinde bulundukları ortamdaki taneciklerin hareketleri tarafından belirleneceği düşünülüyor.

Araştırmacılar 15 saat boyunca nanomotorları çalıştırmayı ve nanomotorlara 240.000’den fazla devir yaptırmayı başarmış. Bunun bir rekor olduğu belirtiliyor.

Geliştirilen nanomotorların özellikle biyokimyasal maddelerin, hücrelerin içine dağıtılmasında yararlı olacağı düşünülüyor. Araştırmacılar bu konu üzerine de deneyler yapmış. Nanomotorlar, pervanelerin üzerine tutunmuş kimyasal maddeleri içinde bulundukları ortama dağıtabiliyor ve dağıtım hızı pervanelerin dönme hızıyla orantılı olarak artıyor. Ancak deneylerin tamamı cansız ortamda yapılmış. Nanomotorların, hücrelerin içine biyokimyasal malzemeleri dağıtmadaki etkinliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için canlı organizmaların içinde de denenmeleri gerekiyor. Ayrıca en iyi sonuçların elde edilebilmesi için pervanelerin üzerine ne kadar madde konulması gerektiği de henüz incelenmeyi bekliyor. Biyokimyasal maddelerin, hücrelerin içine başarılı bir biçimde dağıtılmasının hücreler arası iletişim ve ilaçların etkinliğinin artırılması gibi konularda çok yararlı olacağı düşünülüyor. 

Kaynak:

• Kim, K., Xu, X., Guo, J., Fan, D. L., “Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks”, Nature Communications, Cilt 5, Makale No: 3632, 2014.