k özellikleri nanomekanik araştırmalarının ilgi alanıdır. Nanomateryalleirn katalitik faaliyeti ayrıca biyomateryaller ile etkileşimlerinde olası riskler oluşturur.

Nano-ölçeğe düşürülen materyaller, eşsiz uygulamalara olanak vererek, makro-ölçekte gösterdiği özelliklere nazaran farklı özellikler gösterebilir. Örneğin; opak maddeler şeffaf hale gelebilir (bakır); kararlı maddeler yanıcı hale gelebilir (alüminyum); çözünmeyen maddeler çözünür hale gelebilir (altın). Altın gibi normal ölçeklerde kimyasal olarak inert olan bir madde, nano-ölçekte potansiyel kimyasal katalizör işlevi görebilir. Nanoteknolojiye ilginin çoğu maddenin nano-ölçekte gösterdiği kuantum ve yüzey olaylarından kaynaklanmaktadır.

Modern sentetik kimya, küçük moleküllerin hemen her yapıya hazırlanmasının mümkün olduğu bir noktaya ulaşmıştır. Bu yöntemler, tıbbi ürünler veya ticari polimerler gibi birçok yararlı kimyasalı üretmede kullanılır. Bu kapasite, bu tür kontrolü bir sonraki daha geniş seviyeye genişletme, bu tek molekülleri iyi tanımlanmış bir biçimde düzenlenen birçok molekülden oluşan supramoleküler birleşime dönüştürme yolları arama, sorusunu gündeme getirir.

Bu yaklaşımlar, aşağıdan yukarı yaklaşımıyla kendilerini otomatik olarak yararlı biçimlere dönüştürmek için moleküler öz toplanma ve/veya supramoleküler kimyayı kullanır. Moleküler tanıma kavramı özellikler önemlidir: moleküller kovalent olmayan moleküller arası güçler nedeniyle belirli bir konfigürasyon veya düzenleme tercih edilsin diye moleküller tasarlanabilir. Watson-Crick temel eşleşmesi kuralları, tek bir tabakaya hedef alınan bir enzimin belirliliği ya da proteinin kendisinin belirli bir katlanmasının da olduğu gibi, bunun da direkt sonucudur. Bu şekilde, iki ya da daha fazla bileşen, daha karmaşık ve kullanışlı bir bütün yapsınlar diye birbirlerini tamamlayıcı ve karşılıklı çekici olmaları için tasarlanabilir.

Böyle yukarıdan aşağı yaklaşımlar, paralel olarak aygıtlar üretebilme kapasitesine sahip olmalıdır ve yukarıdan aşağı yöntemlerden daha ucuz olmalıdır, ama istenilen birleşimin boyutu ve karmaşıklığı arttıkça potansiyel olarak mahvolabilir. Birçok yararlı yapılar karmaşık ve termodinamik olarak mümkün olmayan atom düzenlemeleri gerektirir. Bununla beraber, biyolojide moleküler tanıma temelli öz birleşmenin birçok örneği vardır, en önemlileri Watson-Crick baz eşleşmesi ve enzim-tabaka etkileşimleridir. Nanoteknoloji için sorun, bu prensiplerin doğal olanlara ek olarak yeni yapılar yapmak için de kullanılabilip kullanılamamasıdır.

Moleküler nanoteknoloji (moleküler üretim), moleküler ölçekte çalışan tasarlanmış nanosistemleri (nano-ölçek makinelerini) ifade eder. Moleküler nanoteknoloji, özellikle mekanosentez prensiplerini kullanarak atom istenilen yapı ve aygıtı atom atom üretebilen bir makine olan moleküler çevirici ile ilişkilendirilir. Verimli nanosistemler bağlamında üretimin, karbon nanotüpleri ve nanoparçacıklar gibi nanomateryalleri üretmekte kullanılan geleneksel teknolojilerle alakası yoktur ve açık bir şekilde ayırt edilmelidir.

Nanoteknoloji” terimi Erik Drexler (Norio Taniguchi tarafından daha önce kullanıldığını bilmiyordu.) tarafından bağımsız olarak dile kazandırıldığında ve yaygınlaştırıldığında, moleküler makine sistemlerine dayalı gelecekte olabilecek bir üretim teknolojisi anlamına gelmekteydi. Önerme şöyleydi: Geleneksel makine birleşenlerinin moleküler ölçek biyolojik analojilerinin moleküler makineleri örneklemesi mümkündü. Biyolojide bulunan sayısız örnek sayesinde, gelişmiş ve davranışsal olarak optimize edilmiş biyolojik makineler üretilebildiği bilinmektedir.

Umuluyor ki nanoteknolojideki gelişmeler diğer verileri, belki de biyobenzetim prensiplerini kullanarak olası yapılar oluşturacak. Bununla beraber, Drexler ve diğer araştırmacılar, gelişmiş nanoteknolojinin, belki de ilk başta biyobenzetim veriler tarafından gerçekleştirilmesine rağmen, tamamen makine yapım ilkelerine dayalı olması gerektiğini öne sürmektedir. Yani nanoteknoloji; programlanabilir, konumsal birleşimin atomik spesifikasyonunu sağlayacak bu bileşenlerin (örneğin; dişliler, motorlar ve yapısal üyeler) mekanik fonksiyonelliğine dayalı üretim teknolojisi olmalıdır. Örnek tasarımların fizik ve teknik performansı, Drexler’in Nanosistemler kitabında analiz edilmiştir.

Genel olarak, aygıtları atomik ölçekte birleştirmek çok zordur. Çünkü birisi benzer boyut ve dirençteki diğer atomlar üzerine atomlar yerleştirmek zorundadır. Carlo Montemagno tarafından öne sürülen diğer bir görüşe göre, gelecek nanosistemler silikon teknolojinin ve biyolojik moleküler makinelerin karışımı olacak. Richard Smalley, tek moleküllerin mekanik olarak kontrolündeki zorluklar nedeniyle mekanosentezlerin imkansız olduğunu ileri sürmüştür.

Biyolojinin açık olarak moleküler makine sistemlerinin mümkün olduğunu göstermesine rağmen, bugün biyolojik olmayan moleküler makineler onların sadece başlangıç aşamasıdır. Biyolojik olmayan moleküler makineler üzerine araştırmaların liderleri Dr. Alex Zettl ve onun Lawrence Berkeley Laboratuvarları ve UC Berkeley’deki arkadaşlarıdır. Hareketi değişen voltajla masaüstünden kontrol edilen en az üç farklı moleküler aygıt geliştirmişlerdir: bir nanotüp nanomotor, bir moleküler uyarıcı ve bir nanoelektromekanik gevşeme osilatörü.

Ho ve Lee tarafından 1999’da Cornell Üniversitesi’nde konumsal birleşimin mümkün olduğunu gösteren bir deney yapılmıştır. Tek karbon monoksit molekülünü (CO) düz gümüş kristal üzerinde bulunan tek demir atomuna (Fe) doğru hareket ettirmek için bir tarama tünelleme mikroskobu kullanmışlardır, ve voltaj uygulayarak CO’yu Fe’ye kimyasal olarak bağlamışlardır.

Nanomateryaller alanı, nano-ölçek boyutlarından kaynaklanan eşsiz özelliklere sahip materyaller üzerine çalışan ya da bu materyalleri geliştiren alt alanlar içerir.


Bunlar daha küçük bileşenleri daha karmaşık birleşimlere dönüştürme yolları ararlar.


Bu yaklaşımlar, birleşimlerini oluşturmak için daha büyük aygıtları kullanarak daha küçük aygıtlar meydana getirmeye çalışır.


Bu yaklaşımlar, nasıl birleştiklerine dikkat etmeden istenilen işlevsellikte bileşenler geliştirmeye çalışır.



Bu alt alanlar nanoteknolojinin hangi buluşları yapabileceğini tahmin etmeye çalışır, ya da araştırmanın ilerleyebileceği bir süreç öne sürmeye çalışır. Bu alt alanlar; böyle buluşların nasıl yapılabildiği detaylarından çok nanoteknolojinin toplumsal sonuçlarına önem vererek nanoteknolojinin genel görünümüne odaklanır.

Birkaç önemli modern gelişme vardır. Atomik kuvvet mikroskobu ve Taramalı Tünelleme Mikroskobu, nanoteknolojiyi başlatan tarama sondalarının ilk versiyonlarıdır. Başka taramalı sondalı mikroskopi türleri de vardır. Kavramsal olarak Marvin Minsky tarafından 1961’de geliştirilen taramalı eşodaklı mikroskoba ve Calvin Quate ve arkadaşları tarafından 1970lerde geliştirilen taramalı akustik mikroskoba benzemesine rağmen, daha yeni taramalı sondalı mikroskoplar çözünürlüğe sahiptir. Çünkü bunlar, sesin ve ışığın dalga boyu tarafından kısıtlanmamaktadır.

Taramalı sondanın ucu nanoyapıların kontrolü (konumsal birleşim denilen aşama) için de kullanılabilir. Rostislav Lapshin tarafından öne sürülen özellik odaklı tarama yöntemi, bu nanokontrolleri otomatik şekilde uygulamanın umut vadeden bir yolu gibi gözükmektedir. Bununla birlikte, bu yol mikroskobun düşük tarama hızı nedeniyle hala yavaş bir süreçtir.

Optik litografi, X-ray litografi, daldırma kalem nanolitografi, elektron ışın litografi veya nanodamga litografi gibi çeşitli nanolitografi teknikleri de geliştirildi. Litografi, yığın maddenin büyüklüğünün nano-ölçek biçime azaltıldığı bir yukarıdan aşağı üretim tekniğidir.

Bir diğer nanoteknolojik teknikler grubu; nanotüpleirn ve nanotellerin üretiminde kullanılan teknikleri, derin ultraviyole litografi, elektron ışın litografi, odaklanmış iyon demeti işleme, nanodamga litografi, atomik tabaka çökeltme, ve moleküler buhar biriktirme tekniklerini, ve di-blok eşpolimerlerini çalıştıran moleküler özbirleşim teknikleri gibi yarı iletken üretiminde kullanılan teknikleri içerir. Bu tekniklerin öncüleri nanoteknolojik dönemin önünü çekmişlerdir. Ayrıca nanoteknoloji araştırmalarının sonuçları olan ve sadece nanoteknoloji yaratmak amacı ile oluşturulan tekniklerin değil, bilimsel gelişmelerin uzantılarıdır.

Yukarıdan aşağı yaklaşımı, imal edilmiş maddelerin yapıldığı gibi, nanoaygıtların aşamalarla parça parça üretilmesi gerektiğini öngörür. Taramalı sondalı mikroskop nanomateryallerin sentezi ve tanımı için önemli bir tekniktir. Atomik kuvvet mikroskopları ve taramalı tünelleme mikroskopları yüzeyleri incelemek ve atomları hareket ettirmek için kullanılabilir. Bu mikroskoplar için farklı uçlar tasarlanarak, kendiliğinden kurulan yapılara yön vermek ve yüzeylerde yapılar oluşturmak için kullanılabilirler. Örneğin; özellik odaklı taramalı yaklaşım kullanılarak taramalı sondalı mikroskop tekniği ile atom veya moleküller hareket ettirilebilir. Şu anda, bu toplu üretim için çok pahalı ve zaman alıcı bir şeydir, ama laboratuvar deneyleri için çok uygundur.

Aşağıdan yukarı teknikleri, yukarıdan aşağının aksine, adım adım daha büyük yapılar oluşturur. Bu teknikler; kimyasal sentez, öz toplanma ve konumsal toplanmayı içerir. Dual kutuplaşma interferometri kendinden monteli ince filmlerin tanımı için uygun bir araçtır. Aşağıdan yukarı yaklaşımının bir diğer çeşidi moleküler ışın epitaksisidir. Bell Telephone Laboratuvarları’ndaki John R. Arthur, Alfred Y. Cho, ve Art C. Gossard gibi araştırmacılar, 1960ların sonlarında ve 1970lerde moleküler ışın epitaksisini bir araştırma aracı olarak uyguladılar ve geliştirdiler. Moleküler ışın epitaksisi tarafından yapılan örnekler, kesirli kuantum Hall etkisinin keşfinin anahtarıdır. Kesirli kuantum Hall etkisi için 1998’de fizik alanında Nobel Ödülü verilmiştir. Moleküler ışın epitaksisi, bilim adamlarının atomların atomik olarak hassas tabakalarından vazgeçip karmaşık yapılar oluşturmalarını sağlar. Moleküler ışın epitaksi ayrıca yarı iletkenler üzerine araş