Sadece 3.6 mikrometre (metrenin milyonda birine mikron denir) uzunluğunda, şimdiye kadar yapılmış en küçük batarya ama şaşırtıcı derecede hızlı ve verimli olarak kendinden beslemeli nanomotorlar olarak da işlev görüyorlar. En sonunda nanobatarya temelli motor biyomedikal uygulamalarında kargo taşımacılığı için ve nanomakine olarak kullanılabilir.
Pennsylvania Eyalet Üniversitesi Kimya Bölümü’nden araştırmacılar Prof. Ayusman Sen ve Dr. Ran Liu “Journal of the American Chemical Society” dergisinin son sayısında nanobatarya bazlı motor üzerindeki çalışmalarını yayınladılar.
Nanobatarya, 3 mikrometre uzunluğunda bir bakır ucu ve 600 nm uzunluğunda platin ucuna sahip tek bir nanotelden oluşur. Nanobatarya bromin veya iyodin gibi sulandırılmış bir oksidan çözelti içine yerleştirildiğinde, bakır uç anot olarak çalışır ve platin uç katot fonksiyon olarak oksidize edilir. Çözelti içinde nanobataryanın kendisi deşarj olurken elektroforez fenomeni ile redoks reaksiyonları sonucu batarya tarafından elektrik alan oluşur. Bu elektroforez fenomeni ise şöyle açıklanabilir: Bir çözeltide asılı taneciklerin elektrik alan etkisiyle ayrılması. Bu asılı küçük parçacıklar bakteri hücreleri, virüsler, protein molekülleri veya sentetik parçacıklar olabilir. Doğal olarak bu parçacıkların çoğu elektrik yükü taşır.
Bu bulgunun bilimsel temeli meydana gelen oksidasyon ve redüksiyon (indirgenme) sonucu kendi kendine elektroforez ile hareket ettirilebilir bir kısa devre nanobataryadır (örneğin, bakır-platin parçalı nanorod). Üretilen akım doğrudan mekanik kuvvete dönüştürülebilir. Bu öz-elektroforez fenomen saniyede 10 mikrondan (üç kat uzunluğunda) fazla hızlarda cihazı sevk eder. Bu su sayesinde bu değer saatte 54 km (33.5 mil saatte) hızla hareket eden bir 5 metrelik motorlu tekneye kabaca eşdeğerdir. Liu’ya göre “Bu durumda, nanomotor hareketinin yönü uzun zamanlı ölçeklerde rastgeledir. Bu potansiyel olarak kontrol edilebilir. Örneğin; Bu nanobatarya içinde bir manyetik metal segmentle birleştirirsek manyetik alan tarafından hareket yönünü kontrol edebiliriz.”
Bakır segmenti tamamen bromin tarafından oksitlenir veya iyot ile bakır iyodüre dönüştürülene kadar sürekli nanomotor çalışır. Ömrü bu nedenle bakır parçasının uzunluğu ve oksidanın konsantrasyonunun her ikisine de bağlıdır. Yaptıkları deneylerde, araştırmacılar bu değişkenleri değiştirerek 40 saniye ile 1 dakika arasında bir nanobatarya ömrünü gözlemlediler (Bakır parçasının uzunluğu imalat sırasında elektrodepozisyon süresi ile kontrol edilebilir.).
Araştırmacılar, nanomotorların hızı bakır parçasının uzunluğuna bağlı olduğunu buldular. Kısa bakır parçası daha yüksek hız verir ama nanomotorun ömrü bu sefer de azalmış olur.
Yeni nanomotorlar diğer kendinden beslemeli nanomotorlara göre bazı üstünlüklere sahiptirler. Örneğin; araştırmacılar daha önce yakıt olarak hidrojen peroksit kullanılan bir altın platin nanomotor yapmışlar. Ancak bu nanomotor, yeni bakır-platinyum nanomotordan daha düşük bir verimle ve daha zor çalışmasına sebep olan oksijen kabarcıkları üretir. Araştırmacılar yeni nanomotorların gelişmiş verimlilik özelliğini (kendi elektrolit yakıtının tümünü doğrudan mekanik güce dönüştüren) bir akım üretmek için kullandılar. Bunun aksine altın platin nanomotorların çoğunun yakıtı platin ucunda harcanır ve akım oluşturmak için kullanılmaz.
Bu çalışma mikro/nanomotor hareketi için bir mekanizma olarak kendini elektroforez genelliğini doğrudan ve uygun bir mikro/nanoyapı üzerinde asimetrik meydana gelen hemen her redoks reaksiyonu kendinden beslemeli sistemlerin tasarımında kullanılabileceğini öne sürmekte.
Bir nanobataryanın kendiliğinden elektroforezinin geliştirilmesiyle bir nanomotor olarak çalışması için nanobataryaya olanak veren itici güç sağlıyor. Araştırmacılar benzer tasarımlar ama farklı malzemeler kullanarak gelecekteki yeni nanomotorların yapılmasına bu güncel sonuçların yardımcı olacağını umuyorlar. Örneğin; bu anlamda başka metal çiftleri kullanılabilir ve farklı uygulamalar incelenebilir.
Esas itibariyle, nanomotorlar aktif taşıma ve kargo tesliminde kullanılabilir. Liu bu tür çalışmaların geleceği ile ilgili şu açıklamalarda bulunuyor, “Gelecekte özellikle biyo-uyumlu ve daha fazla çevre dostu yakıt sistemleri bulmalıyız. Bir diğer geriye kalan sorun ise mikro/nanobataryaların yeniden şarj edilebilir ve tekrar tekrar kullanılabilir şekilde tasarlamak!”
Damla Polat
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma
Kaynak:
http://phys.org/news/2011-10-tiny-battery-nanomotor.html
*Bu yazı ücretsiz bilim dergimiz NetBilim’in 14.sayısında yayınlanmıştır.
