Deri kendi kendini onarır, ancak araba duvara çarptığında hasar görür ve onarılması gerekir. En ufak bir kazada bile arabanın boyası çizilebilir ki bu da çok pahalı bir boyama işlemi gerektirebilir.
Vücudun işleyişine bakıldığında deri ve kemik gibi sistemler herhangi bir hasar oluştuğunda daha kötüye gitmesini engelleyebileceği gibi kendini yenileyerek de kendini iyileştirebilmektedir. Bu kesinti ve yenilenme aşamasında, bu onarımı dış etkenlerden çok az yardım alarak veya hiç yardım almadan yaparlar. Günlük hayatta kullanılan metaller, plastikler, kompozitler ve diğer malzemeler insan metabolizmasının en az yarısı kadar akıllı olsaydı hayat çok daha kolay olmaz mıydı?
2000’lerin başında, bilim adamları iç hasarı kendi başlarına onarabilecek kendi kendini iyileştiren malzemeler geliştirmeye başladılar. Malzemelerin gelişmesiyle birlikte boya, kaplama gibi malzemeler kendi kendini yeniler hale gelmiştir. Peki bu harika malzemeler tam olarak nasıl çalışıyor? Bu makalede, kendi kendini onaran malzemelerin etkisi hakkında bilgi bulunmaktadır.
İçindekiler
Kendi kendini onaran malzemeler nelerdir?
Bazı doğal malzemeler (taş gibi) kesinlikle ellerinden gelenin en iyisini yapacak olsa da, hiçbir şey sonsuza kadar sürmez. Günlük kullanılan malzemeler çoğu zaman üç farklı nedenden dolayı bütünlüğünü kaybeder ve bu nedenler şunlardır;
Yaşlanma: Çoğu malzeme zamanla kademeli olarak bozulur. Örneğin, mikroorganizmalar veya böcekler odun yediğinde, sonunda çürür. Doğanın en çok kaybolan maddesinden korozyona uğrayan plastik bile uzun süre de olsa ısı ve ışığın etkisiyle yok oluyor.
Aşınma: Çoğu malzeme sürekli kullanım nedeniyle kademeli olarak aşınır. Sürtünme ana sebeplerden biridir ve defalarca ileri geri hareket ettirilen malzemeler zaman yorgunluğu ile parçalanır.
Kusurlar: Bazı malzemeler, kuvvetler (gerilmeler ve gerilmeler) uygulandığında aniden ve çok beklenmedik bir şekilde kırılır.İç kırılmalar (genellikle iç kısımdaki küçük çatlaklar veya diğer kusurlar) hızla yayılır.
Malzeme bilimcisi için üçüncü sorun olan kusurlar, kendi kendine düzeltmesi ve üstesinden gelmesi en zor olanıdır. Düzenli inceleme ve bakım ile çürüyen ahşap veya paslı demiri tespit etmek kolaydır. Sıcak, yüksek hızlı motorların derinliklerinde gömülü olan ana bileşenlerdeki hassas çatlakları tespit etmek zordur. Tahribatsız muayene (ultrasonik tarama dahil) gibi teknikler, rutin denetimler sırasında potansiyel sorunların bulunmasını kolaylaştırır, ancak malzemeler fiilen kullanımdayken arızalar meydana gelirse çok az işe yarar.
Gerçekten ihtiyacımız olan şey, insan vücudu gibi davranan sentetik malzemeler. Bir arızayı algılamak, daha kötüye gitmesini önlemek ve mümkün olan en kısa sürede kendi kendine düzeltmek. Açık bir sorun teşhisi veya insan müdahalesi olmaksızın kendi kendini otomatik olarak tamir eden yapay (sentetik) bir maddenin kabul edilmesi, “kendi kendini iyileştiren” bir maddenin temel kavramıdır.
Kendi kendini iyileştiren malzeme türleri
İlk kendi kendini iyileştiren malzemeler, 2001 yılında Scott White ve Nancy Sotos ve meslektaşları tarafından Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nde bildirilen, bir tür dahili yapıştırıcıya sahip polimerlerdi (uzun, tekrar eden moleküllerden yapılmış plastikler). O zamandan beri, kendi kendini iyileştiren birçok malzeme geliştirildi. Kendi kendini iyileştiren malzemeler aşağıdaki gibi dört ana tipte gelir;
• Profesör White tarafından geliştirilenler gibi gömülü “iyileştirici maddeler” içeren maddeler
• Kana benzer bir tür “vasküler” iç dolaşıma sahip maddeler
hafıza malzemelerinin oluşumu,
• Ters polimerler
Yerleşik iyileştirici ajanlar
En popüler kendi kendini iyileştiren malzemeler, hasarı onarabilen yapışkan benzeri bir kimyasalla doldurulmuş gömülü mikrokapsüller (küçük kompakt cepler) içerir. İçindeki malzeme çatlarsa kapsüller açılır, tamir malzemesi “patlar” ve çatlak kapanır. Ayrı kaplarda (genellikle iki şırınga) iki sıvı polimer olarak sağlanan, epoksi adı verilen bir yapıştırıcıya (tutkal) benzer şekilde çalışır. Sıvılar karıştığında kimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve güçlü bir yapıştırıcı (kopolimer) oluşur.
Kendi kendini iyileştiren malzemeler, birlikte verilen kapsülleri çeşitli şekillerde kullanabilir. Kapsüller için en basit yöntem, çatlağı dolduran ve malzemeyi birbirine bağlayan bir yapıştırıcıyı serbest bırakmaktır. Biraz farklı bir yaklaşımla, malzemenin ana gövdesi katı bir polimerken, kapsüller sıvı bir monomer (bir polimeri oluşturan sonsuz temel birimlerden biri) içerir. Malzeme bozuldukça ve kapsüller kırıldıkça, monomer polimerle karışır, daha fazla polimerizasyon meydana gelir ve hasar etkili bir şekilde iyileşerek hasarlı alanın yerini alacak daha fazla doğal malzeme oluşturur. Polimerizasyonun nispeten düşük bir günlük sıcaklık ve basınçta meydana gelmesi için tipik olarak toz haline getirilmiş kimyasal katalizörün de birleştirilmesi gerekir.
Kapsülleme yönteminin ana dezavantajı, kapsüllerin gerçekten çok küçük olması veya içine dahil edildikleri malzemenin zayıflamış olmasıdır. Bu, onarabilecekleri hasar miktarını (doldurabilecekleri çatlakların boyutunu) sınırlar. Diğer bir sorun da bölmelerin hasarı yalnızca bir kez iyileştirebilmesidir: Malzeme tekrar başarısız olursa (büyük olasılıkla onarımdan sonra daha zayıf olduğu için), kendi kendini iki kez iyileştiremez.
Mikrovasküler malzemeler
Gömülü iyileştirici ajanlar basit ve etkilidir, ancak bir dezavantajı vardır: bir malzemenin yapısını kapsüllerle kesmek onu zayıflatabilir, muhtemelen başarısızlık riskini artırabilir ve çözmeye çalıştığımız sorun tam olarak budur! Kendimizi kesersek veya düşersek, insan vücudu artık her deri ve kemiğin içinde gizlenen geçici onarım malzemeleriyle hasarı bu şekilde onarmaz. Bunun yerine, vücut, enerji ve onarım için kan ve oksijen taşıyan inanılmaz derecede kapsamlı bir damar sistemine (çeşitli boyutlarda kan damarlarından oluşan bir ağ) sahiptir. Hasar durumunda, kan sistemi ek kaynakları yalnızca ihtiyaç duyulduğunda pompalar, ancak yalnızca ihtiyaç duyulduğunda.
Malzeme bilimcileri, aynı şekilde çalışan kendi kendini iyileştiren malzemeler tasarlamaya çalışıyorlar. Bazılarının çok ince vasküler tübül ağları vardır (yaklaşık 100 mikron çapında, normal bir insan saçından biraz daha kalın), bu ağlar yalnızca gerektiğinde iyileştirici maddeleri (yapıştırıcılar veya her neyse) başarısızlık noktasına kadar dışarı pompalayabilir. Tüpler basınçlı tanklara girer (gerçekten nazikçe itilen enjeksiyonu düşünün). İşlevsel bir başarısızlık meydana geldiğinde, tüpün bir ucunda basınç salınır ve gerektiğinde iyileştirici ajanın infüze edilmesine izin verilir. Bu yöntem, mikrokapsül yönteminin elde edebileceği boyutun on katına kadar olan çatlakları kapatabilse de, tamir malzemesinin daha uzağa gitmesi gerektiğinden daha yavaş çalışır. Çatlak olduğundan daha hızlı yayılırsa, bir soruna neden olabilir. Ancak, bir arızanın ortaya çıkabileceği ve aylarca veya yıllarca sürünerek (yavaşça yayılabileceği) bir gökdelen veya köprü için, yerleşik bir onarım boruları sistemi kesinlikle iyi çalışabilir.
Bellek materyallerini biçimlendirin
Çoğu insan şekil hafızalı malzemeleri, büküldüğünde ve sonra serbest bırakıldığında tamamen şekline dönen nitinol (nikel titanyum) gibi alaşımlardan yapılmış camlar gibi nispeten basit günlük uygulamalarla öğrenir. Genellikle, şekil hafızası bundan çok daha karmaşık (ve ilginç) bir şekilde çalışır, tipik olarak bir malzemeyi orijinal tercih edilen şekline döndürmek için ısıtmayı (veya başka bir şekilde enerji sağlamamayı) gerektirir. Bu nedenle, kendi kendini iyileştiren şekil hafızalı malzemeler, hasarın meydana geldiği yere ısı iletmek için bir tür mekanizmaya ihtiyaç duyar.
Uygulamada bu, diğer kendi kendini iyileştiren materyallerde kullanılan altta yatan ağa benzer bir gömülü fiber optik kablo ağı olabilir. Ancak bir polimer veya yapıştırıcıyı pompalamak yerine, bu tüpler lazer ışığını ve ısı enerjisini beslemek için kullanılır. Bu, tercih ettikleri biçime geri dönmelerine (“hatırlamalarına”) neden olarak hasarı etkili bir şekilde tersine çevirir. Tüpler ışıklarını nereye ileteceklerini nasıl biliyorlar? Malzeme çatlarsa, içine gömülü fiber optik tüpleri de kırar, böylece taşıdığı lazer ışığı tam kırılma noktasında dışarı sızar. Fiber optik tüplerin malzemeyi zayıflatacağını düşünseniz de, aslında onu fiber takviyeli bir kompozite dönüştürerek güçlendirebilirler. Bu tür sistemler bazen özerk uyarlanabilir mimariler olarak bilinir ve malzeme mühendisi Henry Sudano tarafından öncülük edilmiştir.
Tersinir polimerler
Polimerler, iç hasarı onarmak için her zaman kompakt kapsüller veya vasküler tübüller gibi karmaşık iç sistemler gerektirmez. Bazıları, çok “etkileşimli” olduğu düşünülen sonları veya doğal olarak yeniden birleşmeye çalışan parçaları ortaya çıkarmak için ayrılır. Işık veya ısı ile aktive edildiğinde, bu başıboş parçalar doğal olarak kendilerini yakındaki diğer moleküllere yeniden bağlamaya çalışır. Bu, hasarı etkili bir şekilde tersine çevirir ve malzemeyi onarır. Bazıları elektrik yüklü uçları ortaya çıkarmak için kırılır ve kırılan parçalara yerleşik bir elektrostatik çekim sağlar. Hasar oluştuğunda, elektrostatik kuvvetler parçaları bir araya getirerek malzemenin kendi kendini onarmasını sağlar.
Bazen hasarı onarmak için gereken tek şey biraz ısıdır ve plastikler iki ana tipte gelir. Bazılarının (termoplastikler olarak bilinirler) eritilmesi, geri dönüştürülmesi ve yeni şekiller halinde kalıplanması nispeten kolaydır; PVC (polivinil klorür), polietilen ve polipropilen tipik örneklerdir. Diğer türler (termoplastikler olarak bilinirler) farklı çalışırlar, eğer onları ısıtırsanız, erimeden önce bozulurlar, böylece yeniden şekillendirilmek üzere ısıtılamazlar. Bunun en güzel örnekleri melamin ve bakalittir. Bu, termoplastikleri (ancak termoplastikleri değil) kendi kendini iyileştiren malzemeler olarak kullanabileceğimizi gösterir. İçerideki uzun polimer zincirlerinin kendilerini yeni, güçlü bir şekle dönüştürmek için basınç altında erimeleri gerekir.
Peki bu pratikte nasıl görünürdü? Termoplastikler, çatladıklarında veya hasar gördüklerinde ve daha sonra ısıtıldıklarında, yapıldıkları polimerler monomerlerine (yapıldıkları tekrar eden moleküller) ayrışacak şekilde tasarlanabilir. Soğutulduğunda, orijinal polimer yeniden oluşur ve hasarı tersine çevirir. Bu yöntem, uygun bir ısı kaynağına dayanır, ancak bazen bu kolayca elde edilir. Bunun gibi malzemeler, bir mermi (9 mm çapa kadar) ateşlenerek test edilmiştir. Darbeden kaynaklanan bölgesel ısı, polimerin deliği kapatması ve malzemeyi tamamen birbirine bağlaması için yeterli enerjiyi (belki de hasarlı bölgede birkaç yüz derecelik bir sıcaklık artışı) sağlar. Hızla kapanan ve kaybolan kurşun delikleri olan savaş uçaklarında paha biçilmez uygulamaları hayal etmek çok kolay!
Kendi kendini iyileştiren malzemeler ne için kullanılabilir?
Kendi kendini iyileştiren köprüler ve binalardan düşük hızlı çarpışmalardan sonra otomatik olarak şekle dönen şekil hafızalı polimerlerden yapılmış araba tamponlarına kadar kendi kendini iyileştiren malzemeler için herhangi bir uygulama hayal etmek zor değil. Seri üretimde ortaya çıkan ilk kendi kendini iyileştiren malzemeler, hava koşullarına ve diğer yüzey aşınmalarına direnebilen boyalar ve kaplamalardır.
Kendi kendini onaran contalar ve boru hattı contaları gibi şeyler de dahil olmak üzere daha gelişmiş kendi kendini onaran malzemelerin devam etmesi muhtemeldir. Bir gün insan vücudunun kendi kendini iyileştiren yedek parçaları ve doğal muadilleri olabilir. Bu noktada, kendini iyileştirme bilimi bugün tam bir döngüye giriyor ve sürekli gelişiyor.
kaynak:
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/self-healing-materials
https://www.researchgate.net/publication/334197699_Functional_Materials_with_Self-Healing_Properties_A_Review
yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]