Cilt kendi kendini yenileyebilen bir yapıdadır, ancak bir araba duvara çarptığında hasar görür ve yaptırılması gerekir. En basit bir kaza ile bile arabanın boyası çizilebilirken, bu durum çok masraflı bir boya işlemi görmesini gerektirebilir.
Vücudun işleyişi incelendiğinde cilt, kemik gibi sistemler kendisinde herhangi bir hasar oluşuğu zaman daha da kötüye gitmesini durdurabilirken, yenilenerek kendini iyileştirebilir. Bu durdurma ve yenilenme aşamasında ise dışsal etmenlerden çok az ya da hiç yardım almayarak bu onarımı gerçekleştirirler. Metallar, plastikler, kompozitler ve günlük hayatta kullanılan diğer malzemeler insan metabolizmasının en az yarısı kadar akıllı olsa hayat çok daha kolay olmaz mıydı?
2000 yılların başında bilim adamları iç hasarları kendi başlarına onarabilecek kendi kendini iyileştiren malzemeler geliştirmeye başlamışlardır. Ve geliştirilen malzemelerle boyalar ve kaplamalar gibi malzemeler kendi kendini yenileyebilir hale gelmiştir. Peki bu harika malzemeler tam olarak nasıl çalışıyor? Bu yazıda kendi kendini onarabilen yani tamir edebilen malzemelerin işleyişi hakkında bilgiler bulunmaktadır.
Kendi Kendini Tamir Edebilen Malzemeler Nelerdir?![Kendi Kendini Onarabilen Malzemelerin İşleyişi]()
Bazı doğal malzemeler (taş gibi) kesinlikle ellerinden gelenin en iyisini yapsalar da hiçbir şey sonsuza kadar sürmez. Her gün kullanılan malzemeler genellikle üç farklı nedenden dolayı ile bütünlüğünü kaybeder, bu nedenler şunlardır;
Yaşlanma: Geçen zamanla birlikte çoğu malzeme yavaş yavaş çürümeye girer. Mesela ahşap mikroorganizmalar veya böcekler tarafından yenilirken sonunda çürür. Hatta doğada en kaybolan malzemelerin aşında olan plastik bile ısı ve ışığın etkisi ile uzun zamanda da olsa parçalanarak kaybolur.
Aşınma : Çoğu malzeme sürekli kullanım nedeniyle kademeli olarak yıpranır. Sürtünme en temel nedenlerden biridir ve tekrar tekrar ileri geri hareket ettirilen malzemeler zaman yorgunluğu ile kırılır.
Kusurlar: Uygulanan kuvvetler (gerilmeler ve gerinimler) iç kırılmaları (genellikle iç kısımda küçük çatlaklar veya diğer kusurlar) hızla yaydığında bazı malzemeler aniden ve çok beklenmedik bir şekilde kırılır.
Bir malzeme bilimcisi için üçüncü sorun yani kusurlar, kendiliğinden tamir edilebilmesi en zor durumdur ve üstesinden gelinmesi en zor olanıdır. Düzenli inceleme ve bakımla, çürüyen ahşabı veya paslanan demiri tespit etmek kolaydır. Yüksek hızlarda dönen sıcak motorların derinliklerinde gömülü olan önemli bileşenlerde gizlenen ince çatlakları fark etmek çok daha zordur . Tahribatsız muayene (ultrason tarama dahil) gibi teknolojiler , rutin incelemeler sırasında olası sorunları bulmayı kolaylaştırır, ancak malzemeler fiilen kullanımdayken arızalar meydana gelirse, pek kullanılmazlar.
Gerçekten ihtiyaç olan şey, insan vücudu gibi davranan yapay malzemelerdir; bir arızayı sezmek, daha kötüye gitmesini engellemek ve sonra kendi başlarına mümkün olan en kısa sürede onarmak. Sorunun açık bir teşhisi veya bir insan müdahalesi olmaksızın kendini otomatik olarak onaran yapay (sentetik) bir madde olarak tanımalama “kendi kendini iyileştiren” malzemenin temel konseptidir.
Kendi Kendini İyileştiren Malzeme Türleri
İlk kendi kendini iyileştiren malzemeler, 2001 yılında Scott White , Nancy Sottos ve Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nden meslektaşları tarafından rapor edilen, bir tür gömülü dahili yapıştırıcıya sahip polimerlerdi (uzun, tekrarlayan moleküllerden yapılmış plastikler). O zamandan beri, çeşitli kendi kendini iyileştiren materyaller geliştirilmiştir. Kendi kendini iyileştiren materyaller dört ana türde gelir, bu türler şu şekildedir;
• Profesör White tarafından geliştirilenler gibi gömülü “iyileştirici ajanlar” içeren materyaller
• Kana benzer bir tür iç “vasküler” dolaşıma sahip malzemeler
• Şekil hafızalı malzemeler,
• Tersinir polimerler
Gömülü İyileştirici Ajanlar
En iyi bilinen kendi kendini iyileştiren malzemeler, hasarı onarabilen yapıştırıcı benzeri bir kimyasalla doldurulmuş yerleşik mikrokapsüllere (küçük gömülü cepler) sahiptir. Malzeme içeride çatlarsa, kapsüller açılır, onarım malzemesi “dışarı çıkar” ve çatlak kapanır. Ayrı kaplarda (genellikle iki şırınga) iki sıvı polimer şeklinde sağlanan epoksi adı verilen bir yapıştırıcı (tutkal) türüne benzer şekilde çalışır. Sıvıları karıştırdığında kimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve güçlü bir yapışkan (bir kopolimer) oluşur.
Kendi kendini iyileştiren malzemeler, gömülü kapsülleri çeşitli şekillerde kullanabilir. Kapsüller için en basit yaklaşım, çatlağı dolduran ve malzemeyi birbirine bağlayan bir yapıştırıcıyı serbest bırakmaktır. Biraz farklı bir yaklaşımda, malzemenin ana gövdesi katı bir polimer iken, kapsüller bir sıvı monomer (polimeri oluşturan temel, sonsuz tekrarlanan birimlerden biri) içerir. Materyal bozulduğunda ve kapsüller kırıldığında, monomer polimer ile karışır, daha fazla polimerizasyon meydana gelir ve hasarlı bölgeyi değiştirmek için orijinal materyalden daha fazlasını oluşturarak hasar etkili bir şekilde iyileşir. Tipik olarak, toz halinde bir kimyasal katalizörün de gömülmesi gerekir, böylece polimerizasyon nispeten düşük, günlük sıcaklık ve basınçta gerçekleşir.
Kapsülleme yönteminin ana dezavantajı, kapsüllerin gerçekten çok küçük olması veya içine gömüldükleri malzemeyi zayıflatmasıdır. Bu, düzeltebilecekleri hasar miktarını sınırlar (doldurabilecekleri çatlakların boyutu). Başka bir sorun da kapsüllerin hasarı yalnızca bir kez iyileştirebilmesidir: malzeme tekrar başarısız olursa (onarımdan sonra neredeyse kesinlikle daha zayıf olduğu için daha olasıdır) kendini iki kez iyileştiremez.
Mikrovasküler Malzemeler
Gömülü iyileştirici ajanlar basit ve etkilidir, ancak bir dezavantajları vardır: malzemenin yapısını kapsüllerle kesmek onu zayıflatabilir, potansiyel olarak başarısızlık riskini artırabilir, çözmeye çalıştığımız tam da bu sorun! Artık insan vücudu, kendimizi kesmemiz veya düşmemiz durumunda her derinin ve kemiğin içinde bekleyen derme çatma onarım malzemeleri ile hasarı bu şekilde düzeltmiyor. Bunun yerine vücut, enerji ve onarım için kan ve oksijeni taşıyan inanılmaz derecede kapsamlı bir damar sistemine (farklı boyutlardaki kan damarları ağı) sahiptir. Hasar meydana gelirse, kan sistemi sadece ihtiyaç duyulan yerlere fazladan kaynakları pompalar, ancak sadece ihtiyaç duyuldukları zamandır.
Malzeme bilimcileri, aynı şekilde çalışan kendi kendini iyileştiren malzemeler tasarlamaya çalışıyorlar. Bazılarında, son derece ince vasküler tüp ağları vardır (yaklaşık 100 mikron kalınlığında, ortalama bir insan saçından biraz daha kalın) ve bu ağlar, yalnızca gerektiğinde arıza noktasına kadar iyileştirici maddeleri (yapıştırıcılar veya başka ne gerekiyorsa) pompalayabilmektedir. Tüpler basınçlı rezervuarlara gider (halihazırda hafifçe itilmiş şırıngaları düşünülmelidir). Bir arıza meydana geldiğinde, tüpün bir ucundaki basınç serbest bırakılır ve iyileştirici maddenin ihtiyaç duyulan yere pompalanması sağlanır. Bu yöntem, mikrokapsül yönteminin başarabileceği boyutun on katına kadar çatlakları kapatabilmesine rağmen, onarım malzemesinin daha fazla yol alması gerektiğinden daha yavaş çalışır. Bir çatlak ondan daha hızlı yayılıyorsa bu bir sorun oluşturabilir. Ama bir gökdelen ya da birBir arızanın ortaya çıkabileceği ve aylar veya yıllar boyunca sürünebileceği (yavaşça yayılabileceği) köprü , yerleşik bir onarım tüpleri sistemi kesinlikle iyi çalışabilir.
Şekil Hafızalı Malzemeler
Çoğu kişi şekil hafızalı malzemeleri, nitinol (nikel-titanyum) gibi alaşımlardan yapılmış gözlükler gibi nispeten önemsiz günlük uygulamalar sayesinde tanımaktadır, bu da eğip büktüğünde şekline tam olarak geri döner ve sonra serbest bırakır. Genellikle, şekil hafızası bundan daha karmaşık (ve ilginç) bir şekilde çalışır, tipik olarak, bir malzemeyi orijinal, tercih edilen biçimine geri döndürmek için ısıtmak (veya başka bir şekilde enerji sağlamamak) gerekir. Bu nedenle, kendi kendini iyileştiren şekil hafızalı malzemeler, hasarın meydana geldiği yere ısı iletmek için bir tür mekanizmaya ihtiyaç duyarlar.
Pratikte, bu , diğer kendi kendini iyileştiren malzemelerde kullanılan damar ağlarına benzer gömülü bir fiber optik kablo ağı olabilir. Ancak bir polimer veya yapıştırıcıyı pompalamak yerine, bu tüpler lazer ışığını ve ısı enerjisini beslemek için kullanılır. Bu onların tercih ettikleri şekle 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 taşıdıkları lazer ışığı doğrudan arıza noktasında sızar. Fiber optik tüplerin bir malzemeyi zayıflatacağını düşünmenize rağmen, aslında onu fiber takviyeli bir kompozit haline getirerek güçlendirebilirler. Bunun gibi sistemler bazen otonom uyarlanabilir yapılar olarak bilinir ve malzeme mühendisi Henry Sodano tarafından öncülük edilmiştir.
Tersinir Polimerler
Polimerler, dahili hasarı onarmak için her zaman gömülü kapsüller veya vasküler tüpler gibi karmaşık dahili sistemlere ihtiyaç duymazlar. Bazıları, son derece “tepkisel” uçlar veya doğal olarak yeniden birleşmeye çalışan parçalar olarak düşünülen şeyleri ortaya çıkarmak için parçalanır. Işık veya ısı ile enerjilenen bu başıboş parçalar doğal olarak kendilerini yakındaki diğer moleküllere yeniden bağlamaya çalışırlar. Bu da hasarı etkili bir şekilde tersine çevirir ve malzemeyi onarır. Bazıları elektrik yüklü uçları açığa çıkarmak için kırılır, bu da kırık parçalara yerleşik bir elektrostatik çekim sağlar. Hasar meydana geldiğinde, elektrostatik kuvvetler parçaları bir araya getirerek malzemenin kendi kendini onarmasını sağlar.
Bazen hasarı onarmak için ihtiyaç olan tek şey biraz ısıdır, plastikler iki ana tipte gelir. Bazıları (termoplastik olarak bilinir) eritilmesi, geri dönüştürülmesi ve yeni formlara kalıplanması nispeten kolaydır; PVC (polivinil klorür), polietilen ve polipropilen tipik örneklerdir. Diğerleri (termosetler veya termoset plastikler olarak bilinirler) farklı bir şekilde çalışırlar, onlar ısıtırsa, erimeden önce bozulurlar, böylece onları yeniden şekillendirmek için ısıtamak mümkün olmaz. Buna en iyi örnekler melamin ve bakalittir. Bu, termoplastikleri (ama termosetleri değil) kendi kendini iyileştiren malzemeler olarak kullanabileceğimizi gösteriyor. İçerdeki uzun polimer zincirlerinin kendilerini yeniden güçlü, yeni bir forma dönüştürebilmeleri için stres altında erimelerine ihtiyaç vardır.
Peki pratikte bu nasıl olurdu? Termoplastikler, çatlamaları veya hasar görmeleri ve daha sonra ısıtılmaları durumunda, yapıldıkları polimerlerin monomerlerine (yapılandıkları tekrar eden moleküller) ayrılacağı şekilde tasarlanabilir. Soğuduklarında, orijinal polimer yeniden şekillenir ve hasarı tersine çevirir. Bu yöntem, uygun bir ısı kaynağına dayanır, ancak bazen bu kolayca elde edilebilir. Bunun gibi malzemeler mermi ateşlenerek test edilmiştir.(çapı 9 mm’ye kadar) Darbeden kaynaklanan lokalize ısı, polimerin deliği yeniden kapatması ve malzemeyi tekrar tamamen birbirine bağlaması için yeterli enerjiyi (hasarlı alanda belki birkaç yüz derecelik bir sıcaklık artışı) sağlar. Hızla kapanan ve kaybolan kurşun delikleri olan savaş uçaklarında paha biçilmez uygulamaları hayal etmek kolaydır!
Kendi Kendini Onarabilen Malzemeleri Ne İçin Kullanabilir?
Kendi hasarını onaran köprüler ve binalardan, düşük hızlı çarpışmalardan sonra otomatik olarak şekle geri dönen şekil hafızalı polimerlerden yapılmış araba çamurluklarına kadar kendi kendini iyileştiren malzemeler için her türlü uygulamayı hayal etmek zor değildir. Seri üretimde görülebilen ilk kendi kendini onaran malzemeler, hava koşullarına ve diğer yüzey aşınma ve yıpranmalarına daha iyi dayanabilen boyalar ve kaplamalardır.
Kendi kendini onaran contalar ve boru hatları için contalar gibi şeyler de dahil olmak üzere, daha gelişmiş kendi kendini onaran malzemelerin devam etmesi muhtemeldir. Bir gün insan vücudunun kendi kendini iyileştirebilecek yedek parçalarına ve doğal eşdeğerlerine bile sahip olabilir. Bu noktada, günümüzde kendi kendini iyileştirme bilimi gerçekten tam bir döngüye girmiş durumdadır ve sürekli gelişmektedir.
Kaynakça:
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/self-healing-material
https://www.researchgate.net/publication/334197699_Functional_Materials_with_Self-Healing_Properties_A_Review
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu