Harika materyaller

Bundan kısa sayılabilecek bir süre öncesine kadar binalar taştan ya da tuğladan, geri kalan hemen her şey ise tahta ya da metalden yapılırdı. Bu durum 1907’de ilk sentetik plastik olan bakalitin üretilmesiyle değişti. Bununla birlikte plastiğin yaygınlaşması 1940’ları ve 50’leri bulacaktı. İlk başta kaliteli malzemelerin ucuz alternatifi olarak düşünülen plastik (ya da teknik ismiyle polimer) çok geçmeden yaygın bir alanda tercih edilen malzemeye dönüştü.

Polimerlere olan ilgi, çağdaş sanayinin gereksinim duyduğu malzemeleri sağlamak amacıyla kimya, fizik ve mühendisliği bir araya getiren malzeme bilimi adlı disiplinin çıkış noktası kabul edilebilir. Malzeme bilimi gerçekten çok kapsamlı. Örneğin mikro yongalarda kullanılan ve tüm elektronik aygıtlarımızda bulunan yarıiletken malzemeler, malzeme bilimi alanındaki araştırmaların bir sonucu; fakat bu, buzdağının yalnızca görünen kısmı.

Günümüz bilim insanları, metal alaşımlarından seramiğe, iletken plastikten metalik köpüklere kadar kulağa tuhaf gelen birçok yapısal, elektriksel, elektronik, optik ve biyouyumlu malzemeyi araştırıyor.

Malzeme biliminin en çok ilgi gören alanlarından biri, karbonun yeni allotropları. Karbonun bir zamanlar yalnızca iki biçiminin bulunduğu düşünülüyordu: grafit ve elmas. Derken 1985’te adına “bukminsterfuleren” denen yeni bir karbon allotropu keşfedildi ve onu çok geçmeden yenileri izledi. Karbonun bu büyüleyici yeni formlarından biri olan grafen, malzemeler dünyasına yaptığımız yolculuğun hemen başında tanışacağımız büyüleyici aktörlerden biri.

AEROJELLER

Bu malzeme o kadar hafif ki aerojelden yapılmış 150 adet tuğla 4 kilo bile etmiyor.

Jeller iyi bilinen ama tümüyle anlaşılmayan maddeler. Örneğin, tatlı niyetine yediğiniz jöle gayet katı gözükse de neredeyse tamamen sudan oluşmuş olabiliyor. Geri kalanıysa suyu hapseden bir moleküler kafes yapısı oluşturarak stabilite sağlayan jelatin.

Aerojeller ise buna benziyor ama hacimlerinin büyük kısmını sıvı değil de bir gaz, çoğunlukla da hava oluşturuyor. Çoğu aerojel en az %95 gaz içeriyor ama hacminin %99,98’i hava olanları da üretildi. İçindeki çok az miktarda katı bile, bu malzemeye katı özellikleri kazandırabiliyor. Aerojellerin genellikle genleşmiş polistirene benzediği söyleniyor ama onlardan çok daha hafifler. Görünümleriyse çok farklı olabiliyor. Birçoğu yarı şeffaf olan aerojellere, katı halde duman diyenler de var.

Aerojeller genelde silika (silikon dioksit) kullanılarak yapılıyor ama diğer metal oksitler, karbon, polimer ve hatta grafen bile aerojel üretiminde kullanılabiliyor ve böylece ortaya, yedi kat hafif bir aerojel çıkabiliyor. Uygun malzemeyi seçerek aerojelin özelliklerini farklı kullanım alanlarına uydurmak mümkün. Örneğin metal kalkogenitlerden (bakır içerikli camlardan) yapılmış aerojeller yarıiletken özellik sergiliyor ve güneş ışığıyla hidrojenden su elde etme ya da güneş pilleri gibi enerji uygulamalarında kullanılma potansiyeline sahip.

METALİK HİDROJEN

Hidrojenin gaz olduğunu hepimiz biliyoruz ama Harvard Üniversitesi araştırmacıları doğanın en bol bulunan elementinin yepyeni bir yanını keşfettiler. Giderek artan basınçlarda elmas uçlar arasında sıkıştırılan hidrojen gazı önce bir şeffaf katıya, sonra da bir opak siyah katıya dönüşüyor. Ancak 495 gigapaskal basınca (Dünya’nın çekirdeğindekinden daha yüksek) erişildiğinde parlak ve elektriksel bakımdan iletken bir katı olup çıkıyor. Bunlar metallere özgü özellikler.

Bir bakıma bu çok da beklenmedik bir şey değil ama sonuca ulaşmak için aşılması gereken mühendislik sorunları çok büyüktü. Gerçekten de her zamanki biçiminde olan hidrojen, periyodik tablonun 1. grubundaki tek ametal (metal olmayan) element; metalik hidrojenin varlığı ise 1935 yılında öngörülmüştü. Araştırmacılar metalik hidrojenin oda sıcaklığında süperiletken olabileceğine ve elektriğin daha verimli iletimine izin verebileceğine inanıyor. Aynı zamanda yüksek yoğunluklu roket yakıtı olarak kullanılma ve uzay bilimlerine katkıda bulunma potansiyeli var.

GRAFEN

Grafit ve elmas, kenara çekilebilir. İşte karbonun şaşırtıcı özelliklere sahip yeni formu.

Grafen için dünyanın ilk iki boyutlu malzemesi deniyor ki bunda doğruluk payı var. Karbonun yıllar boyunca yalnızca iki allotropu olduğu düşünüldü: Elmas ve grafit. Allotroplar bir elementin farklı biçimleridir ve çoğu zaman farklı özellikleri bulunabilir. Mesela grafit yumuşak ve siyahken elmas sert ve şeffaftır. Ama ikisi de üç boyutlu olarak birbirine bağlanmış karbon atomları içerir. Grafendeyse karbon atomları birbirine bir altıgen düzende ve tek düzlem üzerinde bağlıdır. Grafitle elmas arasındaki uçurumda görüldüğü gibi, grafenin de kendine has özellikleri var. Bunlara sonra değineceğiz.

Grafit, üç boyutlu bir molekül olmasına rağmen, birbirine çok sıkı bağlı karbon atomlarından oluşan tabakalar halindedir ve bu tabakalar arasındaki bağ atomlar arası bağdan çok daha zayıftır. Bu da karbonun iki boyutlu bir formunun olabileceğinin öne sürülmesine yol açtı. Spekülasyonlar 2004’te, araştırmacılar çok düşük teknolojili bir yöntemle ilk defa grafen üretince gerçeğe dönüştü. Adına yapışkan bant yöntemi denen bu yöntem, mikromekanik sıyırmayı, bir başka deyişle, bir grafit blokunu tek bir atom kalınlığında bir tabakaya dönüştürene kadar yapışkan bant yapıştırıp çekmeyi gerektiriyor.

Grafen artık büyük ölçekli imalata daha uygun yöntemlerle üretilebiliyor. Yaygın olarak kullanılan kimyasal buhar biriktirme yönteminde, gaz halindeki bir karbon bileşiğinin girdiği tepkimeyle, karbonun düz bir yüzeyde birikmesi sağlanıyor. Ne var ki yüzeyde oluşan grafen katmanını sökmek ve kusuru olmayan büyük tabakalar üretmek zor iş. Grafen hâlâ yaygın bir malzeme sayılmaz ama artık miligram değil de gram ölçeğinde üretilebiliyor ve belki de gerçek hayattaki uygulamaları çok uzak değil. 2016’da bir dizi şirket kurarak grafen araştırmalarındaki öncü rolüyle para kazanmayı hedefleyen Manchester Üniversitesi’nin de umudu bu.

Grafen dünyanın ilk iki boyutlu malzemesi olabilir ama sonuncusu değil. İki boyutlu allotropları üretilen diğer elementler arasında germanyum (germanen), silikon (silisen), fosfor (fosforen) bulunuyor ve başkalarının da üretileceği tahmin ediliyor. Bunların üç boyutlu allotroplardan çok farklı, alışılmadık ve değerli nitelikleri olduğu ya umuluyor ya da şimdiden kanıtlandı.

3B GRAFEN

Grafen iki boyutlu bir grafit formu olarak tanımlandığından, 3B grafen kulağa tuhaf gelebilir ama MIT’deki bilim insanlarının ürettiği şey tam da bu. Grafenin çarpıcı özelliklere sahip olduğu su götürmez ama çok ince olduğu için, yapısal bir malzeme olarak kullanılmaya uygun değil. Ne var ki grafen pulları yüksek sıcaklık ve basınç altında üç boyutlu bir yapı kazanacak biçimde birleştiren bilim insanları, dünyanın en sağlam ve hafif malzemelerinden birini ürettiler.

Grafenin 3B olanı sıradan 2B grafen kadar dayanıklı olmasa da, istatistikleri çok etkileyici. Yeni malzeme çelikten on kat dayanıklı ama bu alaşımın ancak %5’i özgül ağırlığa sahip. Çok şaşırtıcı gelebilir, ama ekip, bu yeni malzemenin dayanıklılığının kullanılan grafen malzemesinden değil de, kendine has geometrik konfigürasyonundan kaynaklandığına inanıyor. Eğer böyleyse başka hammaddeler kullanarak da benzer yüksek dayanıklılık özelliği elde edilebilir.

KENDİNİ ONARAN MALZEMELER

Tıpkı insan cildi gibi kendini onarabilen şaşırtıcı maddeler.

Hiçbir şeyin sonsuza dek dayanmadığı söylenir ve bu, kullandığımız birçok ürünün malzemesi olan plastik için kesinlikle geçerli. Yorgunluk ve çevresel koşullardan kaynaklanan hasar, plastikleri zayıflatan mikroskobik çatlaklar oluşturur ve onları günlük yaşamın zorluklarına daha az dayanıklı kılar. Dolayısıyla ürünlerin ömrü kısıtlıdır ve pahalı ürünlerin sürekli bakım ve onarımdan geçmesi gerekir.

Kendini onaran malzemeler ise farklı birkaç yöntemle kendini eski haline getirebiliyor. Kendini onarma, yapısal zarar veren mikro çatlak düzeyinde değil, çok daha küçük olan moleküler düzeyde gerçekleşiyor. Zarar genelde plastikte meydana gelen kimyasal değişimlerden kaynaklandığından, kimyasal tepkimeyi tersine çevirerek zararı da tersine döndürmek mümkün. Kendini onarabilen plastikler, yıpranmalarına yol açan tepkimelerin geri alınabileceği biçimde tasarlanıyor. Harici yöntemlerden farklı olarak, kimyasal tepkimeyi başlatmak için malzemeyi ısıtmak gibi bazı elle müdahaleler gerekiyor.

Harici yöntemler ise çok farklı. Bunlar, çatlakların hiçbir insan müdahalesi olmadan onarılmasını farklı yollarla sağlıyor. Aşağıdaki resimlerde görüldüğü gibi bunun yöntemleri çok ama hepsinin bir ortak noktası var: Plastiğin sağlığını tehdit eden mikro çatlaklar, etkileşime girerek yeni plastik oluşturan kimyasalların açığa çıkmasını ve böylece zarar veren çatlakların doldurulmasını sağlıyor.

Kendini onarma yaklaşımları

Plastiklere kendini onarma özelliği kazandıran üç farklı yöntem:

Gömülü kapsüller

İmalat sırasında bir onarım maddesi içeren mikro kapsüller plastiğe gömülüyor. Mikro çatlak oluşumu sırasında kapsüller parçalanıyor ve onarım maddesi, plastikteki katalizörle karışıyor. Bu kimyasal tepkime de çatlakları dolduran bir plastik üretiyor.

Vasküler yaklaşım

Kapsüllerin kötü yanı, kimyasallar bir kez tükenince aynı bölgenin tekrar onarılamaması. Vasküler (damar) yöntemi de buna benziyor ama kimyasallar basınçlı rezervuarlara bağlı tüplerin içinden geliyor ve böylece sonraki onarımlarda da kullanılıyor.

Dâhili kendini onarım

Dâhili kendini onaran plastikler, mikro çatlakların gelişimine tepki vermeyip bu çatlaklara yol açan kimyasal tepkimeleri tersine çeviriyor. Bu ters tepkimenin elle (muhtemelen ısıtarak) başlatılması gerekiyor ve kopan kimyasal bağlar böylece onarılıyor.

HETERO YAPILAR

Silikonlu elektronik aygıtlar geleneksel olarak, bir silikon tabakasının kazınması ve kimyasal olarak modifiye edilmesiyle üretilir. Warwick Üniversitesi araştırmacılarıysa sadece alternatif sunmakla kalmayıp dayanıklı ve esnek elektronik devre üretimini de olanaklı kılacak bir başka yol olduğunu söylüyor.

Bu yeni yaklaşımda iki boyutlu malzemeler bağ oluşturarak benzersiz elektronik özelliklere sahip, üç boyutlu bir yığın meydana getiriyor. Grafen, iki boyutlu malzemelerin en bilineni olabilir. Ancak Warwick Üniversitesi’nin heteroyapısında iki farklı malzeme kullanılmış: Molibden diseleniti (MoSe2) ve tungsten diseleniti (WSe2) katmanlar halinde birleştirerek, potansiyel opto-elektronik uygulamalarda kullanılabilecek, gelişmiş fotoışınım özelliğine sahip bir malzeme üretildi.

İki boyutlu materyallerin oluşturduğu heteroyapılarda, geniş bir yelpazede 2B malzemeler kullanılıyor. MoSe2 ve WSe2’nin de temsilcisi olduğu geçiş metali dikalkogenitlerine ek olarak, yeni elektronik özelliklerde ince ayar yapmak amacıyla boron nitrit ve elbette grafen de kullanılıyor. Gelişen yeni bir alan olan kuantum hesaplamanın da çift katmanlı heteroyapılardan faydalanabileceği söyleniyor.

VANTABLACK

Vantablack, görebileceğimiz şeyler arasında bir karadeliğe en çok benzeyeni olarak tanımlanıyor. Üstüne düşen ışığın %99,965’ini soğuran Vantablack, insanların şimdiye dek ürettiği en koyu madde olma rekorunu da elinde tutuyor. Vantablack’le kaplanmış üç boyutlu nesneler o denli siyah oluyor ki iki boyutlu görünüyor. Vantablack kaplamaları ormana benzer bir karbon nanotüp yapısına sahip.

Kaplama olarak geliştirilen Vantablack’in birçok önerilen kullanım alanı teknik; örneğin uzay sondalarındaki optik aygıtlar. Bu algılayıcılara düşen başıboş ışığı azaltan yeni malzeme, en uzaktaki, en sönük gök cisimlerini saptamayı kolaylaştıracak. Vantablack, lüks ve sınırlı sayıdaki ürünlerde de kullanılıyor. Geliştiricileri, bu malzemenin estetik etkisini derinlik ve şıklık katmak olarak tanımlıyor. İsviçreli saat üreticisi MCT’nin Vantablack kullanarak yaptığı sınırlı üretim kol saati 95.000 dolara satılıyor.

LIQUIGLIDE KAPLAMA

Daima süper kaygan kalan malzemeler nasıl yapılır?

LiquiGlide, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nün hiper kaygan ve daima ıslak kalması için geliştirdiği bir kaplama. Sıvı kaplama doğal olarak yüzeydeki çizikleri kapladığı için, aynı zamanda kendini onarma özelliğine sahip.

Bu kaplamanın en büyük faydası ürün ambalajı konusunda. Bir ketçap ya da mayonez şişesinin içinin LiquiGlide ile kaplandığını düşünün. İçindekiler hiçbir yere yapışamayacağından hiçbir şey boşa gitmeyecek ve şişeyi sallamanız da gerekmeyecek. Kaplamanın tıbbi faydaları da var. Mesela bir tıbbi stent. Küçük, kendiliğinden genişleyen, metal örgüden yapılmış tüpler olan stentler, koroner arterin daralmasından sonra, damarın yeniden kapanmasını önlemek için takılır. Ancak katı yağlar birikerek stenti tıkayabilir. LiquiGlide’ın kaygan yapısı bunu da engelleyebilir.

Petrol sektörü de LiquiGlide’dan yarar sağlayacak. Boru hatlarının içini LiquiGlide ile kaplayınca petrol pompalamak için gereken enerji miktarı azalacak. Dahası, birçok şeyi temizlemek kolaylaşacak ve LiquiGlide sayesinde harika su geçirmezlik elde edilebilecek.

Süper kaygan yüzeyler yeni değil. Örneğin nilüfer yaprakları, izolasyon sağlayan bir hava yastığı oluşturan dokulu yüzeyleri sayesinde bu özelliğe sahip. Yapay süper hidrofobik yüzeyler daha önce üretildi ama genelde çabuk yıpranıyorlar ve gıdayla birlikte kullanılacak kadar güvenli değiller. LiquiGlide bu dezavantajların hepsinin üstesinden gelebilir.