Bakır/gümüş/çinko oksit (CuAg/ZnO) partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz yöntemiyle üretimi

Çağımızın en gözde teknolojilerinden biri olan nanoteknoloji, malzemelerin yapısında atomik boyuta inmemizi ve nanobilim ile farklı özelliklerin tanımlanmasını ve elde edilmesini sağlamaktadır. Özellikle son dönemde yapılan çalışmalar ile insanoğlunun hayatında tekstil, uzay/havacılık endüstrisi, enerji, elektrik/elektronik, yapı ve inşaat, kimya, tıp, çevre ve gıda gibi birçok alanda devrim niteliğinde değişikler sağlayan nanoteknoloji bunu malzemelerin özelliklerine ve fonksiyonlarına atomik boyutta müdahale etme yetisine borçludur. Dünyada gün geçtikçe artış gösteren bir pazara sahip olan naoteknoloji, ülkemizde bireysel çalışmalar ile birlikte devlet katkılı (Kalkınma Ajansı, Tübitak) destekler ile adım adım gelişim göstermektedir. Önümüzdeki yıllarda bu pazarın daha da genişleyerek artması beklenmektedir. Nanopartiküller, ince filmler, nanokompozitler, yarıiletkenler, ileri teknoloji seramik ve polimerler ülkemizde üzerine en çok çalışılan nanoteknoloji uygulama alanlarındandır. 100 nm ve altı skalasında bulunan partikül ve malzemeler nano yapıda bulunmaktadırlar. Nano ölçekte partiküller, makro boyutta partiküllerin tabii olduğu klasik fizik kuralları çerçevesinde değil, kuantum mekaniği kuralları çerçevesinde incelenmektedir. Manyetik, elektronik ve optik gibi birçok özellik bu sayede nano ölçekteki partiküller arasındaki bağların kolayca değişimiyle farklılık gösterebilmektedir. Nanopartiküllerin/malzemelerin üretiminde yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya olmak üzere iki temel yaklaşım bulunmaktadır. Yukarıdan aşağıya yaklaşımında; hacimsel malzemelere mekanik etki uygulanarak malzemeyi nano boyutlara indirgemek esas alınırken, aşağıdan yukarıya yaklaşımında ise atom veya moleküllerden nano boyutlu yapılara ulaşmak temel hedeftir. Bu iki yaklaşım, birden fazla üretim yöntemini kapsamaktadır. Ultrasonik Sprey Piroliz (USP) yöntemi, aşağıdan yukarıya yaklaşımı başlığı altında bulunan bir üretim yöntemidir. Kontinu bir üretim yöntemi olması, multifonksiyonel uygulamalara elverişliliği ve nihai ürün oluşumunda ekonomik açıdan düşük maliyetler gerektirmesi USP üretim yönteminin başlıca avantajlarındandır. USP üretim yöntemi, yüksek saflıkta, dar boyut aralığında, homojen bileşimde, küresel morfolojide ve aglomere olmamış nihai metalik, intermetalik, seramik ve kompozit yapılardaki nanopartiküllerin üretimini sağlamaktadır. Endüstriyel üretime de elverişli olan USP yöntemi; bir reaktörün içinde atomize edilen çözeltinin damlacıklarının kuruması, damlacıkların büzülmesi, termal parçalanma ve redüksiyon, son olarak nihai ürünün sentezlenmesi olmak üzere 4 temel adımdan oluşmaktadır. Aerosol oluşumu adımı üretim sürecinin başlangıç adımı olup büyük bir öneme sahiptir. Bu adımda atomizör içerisinde bulunan çözelti piezoelektrik seramik dönüştürücülerin sağladığı ultrasonik ses dalgaları aracılığıyla aerosol haline geçer. Aerosol formu, termal tepkimelerin yaşandığı fırın ortamına taşınır. Çözeltideki metal için uygun tepkime sıcaklıklarında redüklenme gerçekleşir ve nihai ürün elverişli sıvı içerisinde toplanır. Son yıllarda özellikle günlük hayatımız ve toplu yaşama alanlarında antifungal ve antibakteriyel uygulamalar konusu üzerine bir çok araştırma ve inceleme yapılmaktadır. İnsan sağlığını olumsuz etkileyen bu organizmalara (Bakteri ve Fungiler) karşı özellikle gümüş ve bakır metal iyonlarının etkisi tartışmasız odak noktası olmuştur. Gümüş ve bakır, özellikle bakteri ve fungilerin büyümesini engellemede, onları öldürmede oldukça etkili olduğu bilinen antibakteriyel ve antifungal özelliğe sahip metallerin başında gelmektedirler. Çok eski yıllardan beri gemilerin alt kısmındaki yosunların oluşumunu engellemek için kullanıldığı bilinen bakır, günümüzde özellikle medikal ve tekstil sektöründe mikrobiyal gelişimi önlemek için kullanılmaktadır. Gümüş ise yine benzer özelliklerinden dolayı, tekstil ürünleri, tıbbi cihazlar, ev-elektrik aletleri, kozmetik, spor ürünleri ve metal ve polimer gibi yüzey kaplama alanlarında antibakteriyel ajan olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Bakır ve Gümüş'ün yanında çinko oksit, n-tipi yarı iletken oksit olması, fotokatalitik, termal ve kimyasal kararlılık ve antibakteriyel özelliklerinden dolayı (Ag'e iyi alternatif olması nedeniyle) elektronik sektörü, kimya sanayi, kozmetik ve tekstil endüstrisinde geniş kullanım bulmaktadır. Gümüş iyonları bakterinin içine doğru difüze olur ve burada bakterinin enzimiyle reaksiyona girerek enzime bağlanır. Bu şekilde bakterilerin büyümesi ve çoğalması engellenmiş olur. Yine buna benzer şekilde bakır iyonlarının, mantar ve bakterilerin hücre duvarlarına saldırmasıyla da bu etki sağlanabilir. Bu olumsuz etkiler göz önünde bulundurulduğunda bakteri ve mantar etkilerini kontrol etmek ve bu etkileri incelemek ihtiyacının olduğu açıktır. Bu nedenle bakır ve gümüş nano partiküllerinin kullanılmasıyla geliştirilmiş antimikrobiyel yüzeyleri elde etmek için bir çok yaklaşım öne sürülmüştür. Bu çalışmada; yüksek safiyetteki metal tuzlarının çözeltilerinden hareketle küresel morfolojiye sahip, gümüş oranı REACH (Registration, Evaulation, Restriction and Authorisation of Chemicals, EC1907/2006) yönetmeliği çerçevesinde gümüşü azaltılmış CuAg/ZnO nanokompozit partiküllerinin Ultrasonik Sprey Piroliz ve Hidrojen Redüksiyonu (USP-HR) yöntemi ile tek adımda nano boyutta üretimi ve yapısal karakterizasyon çalışmaları ile birlikte antifungal ve antibakteriyel özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Deneysel çalışmalarda, CuAg/ZnO nanokompozit partiküllerinin üretimi için başlangıç çözeltisinin hazırlanmasında yüksek safiyette gümüş nitrat (AgNO3), bakır nitrat [Cu(NO3)2.3H2O] ve çinko nitrat [Zn(NO3)2.7H2O] tuzları kullanılmıştır. Partikül boyutu üzerinde etkin olan farklı konsantrasyonlardaki Bakır-Gümüş-Çinko nitrat başlangıç çözeltileri, saf su kullanılarak hazırlanmıştır. Sıcaklık, çözeltilerdeki bileşenlerin molar oranları ve sıcaklık parametresi değiştirilerek 4 farklı grupta toplanmak üzere toplamda 14 adet numune elde edilmiştir. Üretilen tozların toplandığı toplama (gaz yıkama) şişelerinde %99,9 safiyette etanol (C2H5OH) kullanılmıştır. Üretilen nanokompozit partiküllerinin faz analizleri için X-ışınları difraktometresi (XRD), boyut ve morfolojilerinin tespit edilmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM), partiküllerin içerdiği elementlerin oranlarını belirlemek için ise enerji dağılım spektroskopisi (EDS) kullanılmıştır. Üretilen CuAg/ZnO nanokompozit partiküllerinin küresel morfolojide birincil ve ikincil partiküllerden oluştuğu SEM incelemeleri sonucunda belirlenmiş olup, EDS analizleri sonucunda yapının Cu, Ag ve O'den oluştuğu tespit edilmiştir. Yapılan XRD faz analizleri sonucunda elde edilen XRD paternlerinden nanokompozit partiküllerin yapısında Ag, Cu ve ZnO fazları tespit edilmiştir. XRD ve SEM analizleri sonucunda Ag, Cu ve ZnO kristalin yapılarının kompozit partikülleri içerisinde bulunabilmesi için USP-HR tekniğinde redüksiyon sıcaklığı 600 oC olarak belirlenmiş ve çözeltideki Zn2+ içeriğinin arttırılmasının uygun olacağı belirlenmiştir. Antibakteriyel aktivite açısından CuAg/ZnO nanokompozit partiküllerinin gelişmiş antibakteriyel (%100) etki gösterdiği ve antifungal özellik açısından da CuAg/ZnO nanokompozit partikülleri gerek "Katı Besiyerine Ekim Yöntemine" göre gerekse "Sıvı Besiyerine Ekim Yöntemine" göre Aspergillus niger'e karşı antimantar özellik gösterdiği belirlenmiştir.