Bu yazımda kendini tamir edebilen malzemeler hakkında bilgiler vereceğim. Malzeme bilimcilerin karşılaştığı en büyük sorunlardan biri olan “spontaneous failure” yani “kendiliğinden hasar alma”, çok tehlikeli ve kontrol altında tutulması çok zor bir durumdur. Düzenli bakım ve muayene ile ağacın çürümesi ve ya demirin paslanması saptanabilirken, özellikle yüksek hızda dönen ve yüksek sıcaklıktaki motorlarda yapıdaki mikro çatlakları saptamak çok daha zordur. Tahribatsız muayene yöntemleri (ultrasound tarama dahil) rutin kontrollerle potansiyel problemleri bulmayı kolaylaştırsa da malzeme kullanımı sırasında meydana gelen hasarlarda bu yöntem işimize yaramaz.
Asıl ihtiyacımız olan özellikler tıpkı insan vücudu gibi: hasarı hissedebilen, daha kötü duruma gelmeden durdurabilen, hızlıca ve mümkün olduğunca tamir edebilip, bunların hepsini kendi başına yapabilen bir yapı. Temelde bu konsepte uygun malzemelere “self-healing materials” yani “kendini tamir edebilen malzeme” diyoruz.
Kendini Tamir Edebilen Malzemeler
İlk kendini tamir edebilen malzemeler 2001 yılında Scott White, Nancy Sottos ve Illinois Universitesi’ndeki diğer meslektaşları tarafından, iç adhesive gömülmüş bir polimer (uzun ve tekrarlı moleküler yapıda) olarak bildirilmiştir. Ardından yeni ve farklı özellikte kendini tamir edebilen malzemeler üretilmiştir.
Kendini tamir edebilen malzemeler 4 ana başlıkta incelenir;
- Malzemenin iç kısmına nüfuz ederek sağlamlaştıran malzemeler (Embedded healing agents)
- Mikrovasküler malzemeler (Microvascular materials)
- Şekil hafızalı malzemeler (Shape-memory materials)
- Tersinir polimerler (Reversible polymers)
Onarımın gerçekleşme şeması.
- Malzeme,
- Onarıcı kapsül,
- Katalizör
- Çatlama,
- Kapsülün açılması,
- Kimyasalın çatlağa dolması
Malzemenin İçine Nüfuz Edilerek Çalışan Malzemeler
En çok bilinen kendini tamir edebilen malzemeler : yapısında gömülü mikrokapsüllerle dolu tutkal formuna benzeyen, hasarı tamir eden kimyasallardır. Malzeme içinden kırılırsa kapsüller patlar ve kimyasal kırığın içine dolar. Bu sistem tıpkı epoxy olarak adlandırılan adhezif yapıştırıcı gibi işler. Genellikle iki sıvı polimer birlikte karıştırıldığında oluşan kimyasal reaksiyon daha güçlü bir adhezif form ortaya çıkarır. (copolymer)
Microvasküler Malzemeler
“Embedded healing agents” yöntemi basit ve işe yarar bir yöntem olup bir çok arızayı engelleyip riski ortadan kaldırıyor. Ancak insan vücudu hasarları bu şekilde onarmıyor. İnsan vücudu müthiş derecede kapsamlı bir vasküler sisteme sahip. (kan damarları ve başka yollardan oluşan bir ağ sistemi) Vücut hasarın olduğu bölgeye kan, oksijen ileterek onarımı sağlıyor, eğer hasar artarsa ekstra kaynakları nerede ihtiyaç varsa gönderiyor ancak bunu sadece ihtiyaçları olduğunda yapıyor.
Malzeme bilimciler tıpkı anlattığım şekilde bir malzeme dizayn etmek için çabalıyorlar. Yaklaşık 100 mikron kalınlığında ve onarım kimyasalını (adhezif ya da ne gerekiyorsa) gerekli noktaya sadece ihtiyacı olduğunda pompalayabilecek bir yapıdan bahsediyoruz. Onarım malzemesinin transferi zor olduğundan ötürü bu yöntem yavaş çalışıyor ve aniden gelişen olaylarda maalesef yetersiz kalıyor. Ancak gökdelen ve köprü gibi, çatlakların yavaşça yayıldığı(aylar ya da yıllar) yapılarda; sistem oldukça güzel işliyor.
Şekil Hafızalı Malzemeler Tersinir Polimer
Şekil hafızalı malzemeler gündelik hayatta da karşımıza sıkça çıkmaktadır. Basit ve yaygın bir uygulama olarak gözlük çerçevelerinde kullanılıp, nitinol (nikel-titanyum) alaşımı sayesinde herhangi bir bükülme sonrası çerçeveyi eski şekline getirmemiz onarımı için yeterli oluyor.
Aslında bakarsak şekil hafızalı malzemeler daha farklı şekilde çalışır. Basitçe anlatmak gerekirse ihtiyacımız olan şey: “metale eski formunu kazandırmak için gerekli enerji”. Şekil hafızalı malzemeler hasarın olduğu bölgeye gerekli enerjiyi aktarmak için bir mekanizmaya ihtiyaç duyarlar. Bunu ise fiber-optik kablo ağı ile sağlarlar. Burda farklılık oluşturan nokta ise gerekli adezifi hasarlı bölgeye ulaştırmak için fiber-optik ağ’a lazer ışını beslemesi yapılır. Böylece lazer ışınlarından gerekli enerji temin edilerek hasarlı bölgeye gerekli kimyasal ulaşır. Bu sistem ünlü malzeme bilimci Henry Sodano tarafından autnomous adaptive structures olarak da adlandırılır.
Tersinir Polimer
Polimerler iç hasarı onarmak için, gömülü kapsüller ve vasküler tüpler gibi gelişmiş iç sistemlere her zaman ihtiyaç duymazlar. Bazı polimerler reaktif uçlar ve tekrar biraraya gelmeye çalışan parçalar olarak gözüken ayrılmış halde ortaya çıkabilir. Isı ya da ışık yoluyla harekete geçmiş dağınık parçacıklar en yakındaki moleküle bağlanarak hasarı tersine çevirme yani malzemeyi onarma eğilimindedirler. Bazı durumlarda kırılmış parçalara gömülü elektrostatik çekim veren uçlar, elektrik yüklemesiyle kırılır. Hasar meydana geldiğinde elektrostatik kuvvet parçacıkları bir araya getirir ve malzemenin kendini tamir etmesine olanak sağlar.
Bazen hasar tamiri için ihtiyacınız olan biraz ısıdır. Plastikler iki ana türden gelir. Bir kısmı (termoplastik olarak bilinir) kolay eriyen, geri dönüştürülebilir, PVC (polivinil klorid), polietilen ve polipropilen gibi yeni bir şekle dönüşebilir; diğer bir kısmı ise (termoset ya da ısılsertleşen plastik olarak bilinir.) daha farklıdır. Eğer maddeyi ısıtırsanız erimeden ayrışır bu yüzden yeniden şekillendirmek için ısıtamazsınız. Melamin ve bakalit bu tür malzemelere örnek olarak verilebilir. Verilen “kendi kendine iyileştirme” uygulamaları yalnızca termoplastik için kullanılabilir. Uzun polimer zircirlerinin kendilerini tekrar güçlü ve ya yeni bir forma getirebilmeleri için gerilim altında malzemeyi eritmemiz gerekir.
Uygulamada nasıl olabilir? Polimerler şu şekilde tasarlanabilirler: çatladıklarında ya da zarar gördüklerinde ısı verilirse kendini oluşturan monomerlere ayrılırlar, soğutulduklarında orijinal polimer formları hasarı tersine çevirir. Bu metod ısı kaynağının uygunluğuna bağlıdır ancak bazen de ısı kaynakları kolayca ulaşılabilirlerdir. Böyle malzemeler üzerlerine mermi sıkılarak test edilmişlerdir. (9mm’e çapa kadar). Merminin malzemeye girişinin etkisiyle bölgeselleştirilmiş ısı polimere deliği tamamıyla kapatmak için gerekli enerjiyi sağlar. Böylece paha biçilemez uygulamaların yapıldığı savaş uçaklarındaki mermi deliklerin iyileşebileceğini ve yok olabileceğini söyleyebiliriz.
Kendini onaran malzemeleri hangi alanlarda kullanabiliriz?
Köprülerin kendi çatlaklarını onarmalarını, arabaların şekil hafızalı polimerlerle yapılarak yavaş çarpışmalarda eski haline gelebilmesi gibi her çeşit uygulamada kendini iyileştiren malzeme kullanımını hayal etmek zor değil. İlk kendini iyileştiren madde kullanımını muhtemelen hava şartlarına ya da diğer yüzey bozucu etkilere dayanıklı boya ve kaplamalarla seri üretimde göreceğiz. (çizilen arabaların kendini onarması nasıl olurdu?) Daha gelişmiş kendini onaran maddeler boru hatlarının kaynaklarında contalarında görülebilir. Bir gün insan vücudunun da doğal bileşenleriyle kendini iyileştirdiğini görebiliriz. Böylece “Self-Healing” bilimi tam bir dönüş yapacaktır.