Nanoteknoloji ve mezoskopik makina mühendisliği

Abstract

Yirmibirinci yüzyılda, biyoloji, tıp ve çevre ile ilgili teknolojiler yaşamlarımızı geliştirmek ve iyileştirmek için öncü olacaktır. Bu teknolojiler, hassas malzemeler, mikrofabrikasyon ve yeni tasarım ve kontrol yöntemleri konseptleri gibi ileri teknikler ile desteklenecek ve ilerletilecektir. Geleceğin tıbbi gelişmeleri ele alındığında bu teknikler; yapay organlar, minimal ölçüm, insan-makina uyumlu arayüz ekipmanları, operasyonlar için hassas olarak detaylandınlmış sanal alanlar ve terapi teknikleri vs. geliştirmek için kullanılacaktır. En önemli olan ise mikroişleme teknolojisi ile elde edilecek hassas mekanizmalardır. Mikromakinalar, mikrometre boyutundaki parçalardan oluşan makinalardır. Mikromakina tekniklerinin geçerli olduğu mikroskopik ölçekte fiziksel işlemler klasik Newton dinamiğine uyar. Yapılması gerekenlerin ilki, konvansiyonel milimetrik fabrikasyon tekniklerini, halihazırda yarıiletken aygıtların fabrikasyonunda ve hassas mühendislik dalında geliştirilmiş mikroteknik seviyesine getirmektir. Geçtiğimiz on yılda bu konuda birçok gelişme gerçekleştirilmiştir. Tıpta, mikroskopik cerrahi için araçlar, ilaç taşınım sistemleri, yapay organlar mikrometre ölçeğinde fabrike edilmiştir. Ancak makinalar küçüldükçe, hareketlerininde o kadar zorlaştığı görülmektedir. Modern teknikler kullanarak aşılamayan birçok dinamik problemi ile karşı karşıyayız. Bu sebeple çalışmanın ilk bölümünde nanoteknoloji ayrıntılı olarak anlatıldıktan sonra ikinci bölümde biyolojik nanomakinalar bakış açısı ile nanomakinalar ve hücreler karşılaştırılarak sunulan en güncel yaklaşım anlatılmaktadır. Bu teknik yaklaşım, moleküler biyolojide popüler olan atomlardan ve moleküllerden makromekanizmalara (aşağıdan yukarıya) ulaşmak değil, makina mühendisliğinde temel olan büyükten küçüğe yani yukarıdan aşağıya olarakta adlandırılan mekanizmadır. Canlılar gözlendiğinde, sililer, flageller ve kaslar gibi biyolojik makinaların bir mikrometreden küçük boyutlarda mekanik parçalara sahip olmalarına rağmen nasıl hareket ettikleri daha kolay anlaşılır. Mikroskopik ve nanoskopik dinamik arasında farklar var mıdır? Bu çalışmada, henüz keşfedilmemesi sebebiyle canlıların kimyasal enerjiyi nasıl mekanik enerjiye çevirdiği sorusunun cevabını değil ancak mikrometre altı makinalarda gerçekleşmesi muhtemel yeni bazı fiziksel fenomenleri bulabilirsiniz. îşte bu makina mühendisliğinin yeni bir dalıdır. Geçtiğimiz onyılda hasarsız yada canlı halde mikro ve nano ölçekte birçok ölçüm ekipmanı kullanılmaya başlanmıştır. Birçok bilgisayarlı tasarım yöntemi de kullanılabilir. Bu yaklaşımlarla canlılar makina olarak analiz edilip tasarım prensipleri bulunabilir.

In the twenty-first century, biological, madical and enviromental technologies will become new frontiers to maintain and improve our lives. These technologies will be supported and improved by such advanced engineering techniques as fine materials, microfabrication and new concepts of design and control methods. If we consider future medical advances, these techniques will be indispensable for developing artificial organs for life support, minimal or non-invasive measurement and therapeutic techniques, adaptable man-machine interface materials and equipment, finely detailed virtual spaces for operations and telemedicine, etc. The most important new field will be producing fine mechanisms which are guided by niicromachining technology. Micromachines are defined as machines that are constructed from micrometer size parts and have not previously been produced. Physical processes in the microscopic domain where microtechniques exist are thought to obey classical Newtonian dynamics. Therefore, the first stage is to try to modify the conventional millimetre fabrication techniques to microtechniques which have been developed in the fabrication of semiconductor devices and precision engineering. Many improvements have occured in microfabrication techniques during the last decades. In medicine, many tools for microscopic surgery, interventional therapy, drug delivery systems and artificial organs have already been fabricated in the micrometer domain. It is already worthwhile to use micromachine technology in these applications. However, recently it has becomeclear that the smaller machines become, the more difficult are their movements. There are many dynamic barriers which have not yet been over come using modern techniques. Therefore, this study divided into two main parts. The first is about generally detailed nanotechnology and the second is about nanomachines for future technology. In the second part, nanomachines and cells described from the standpoint of biological machines. The technical approach to the subject is from large to small mechanisms (top down way), the orthodox method of mechanical engineering, and not from atoms or molecules to macro mechanisms (the bottom up way) that are more popular in molecular biology. When we observe living things, we can easliy understand how biological machines such as cilia, flagella and muscles can move in spite that the size of mechanical parts are less than one micrometer. Are there any differences between microscopic and nanoscopic dynamics? In this study, its not possible for readers to find the answer to how living cells convert chemical energy to mechanical energy, but some new physical phenomena that might happen in submicrometer machines can be found. This is the new domain of mechanical engineering. In the last decade we have begun to use many measurement equipments in the micro and nano domains with nondestructive or live mode. We can use many computer design methods. From this knowledge, we can analyse living things as machines and estimate their design principles. This is truly a big chance to find new principles to make machines which are similar to the mechanisms of living things.