Akıllı malzeme nedir? Malzeme bilimlerinde alışılmış olan, kullanılan malzemelerin kullanım süresince mümkün olduğu kadar özelliklerini değiştirmemesidir. Yani bu klasik malzemeler kullanım boyunca herhangi bir değişime uğramamaları için ve sadece bulundukları yerde durmaları için “programlanıyor”. Ancak bu klasik anlayış yavaş yavaş değişmektedir. Artık malzemelerden kullanım sırasında bir şeyler yapmaları ve faydalı değişimlere uğramaları beklenililiyor. Örneğin eski çağlardan beri bina yapımında geçerli olan “ortam şartları ile mücadele etme” anlayışı yerini “ortam şartlarına uyum gösterebilen ve çevresel uyarılara
cevap veren” anayışa bırakıyor. Deprem bölgelerindeki binalarda yer sarsıntılarına direnen değil, ağaçların rüzgarda kırılmamak için sallanarak ayakta kalmaları gibi” yer sarsıntılarına cevap veren binaların yapımı arzulanıyor. Bu değişimi tüm diğer mühendislik dallarında da gözlüyoruz.
Akıllı malzemeler çevreden gelen uyarılara özelliklerini veya şeklini değiştirerek cevap veren malzemeler olarak tanımlayabiliriz. Ancak bir anlamda tüm malzemelerin belli bir derece akıllılığı sözkonusu. Örneğin ısıtıldıklarında genişlerler veya daha kolay işlenirler, bazılarının ısıtılması ile iletkenlikleri artar. Ancak malzemeyi gerçekten akıllı yapan bu tip değişimlerin
malzemenin dizaynı ile ortaya çıkması. Çevreden gelen bir uyarıya hemen tüm malzemeler tepki vermezken sadece onlar tepki verirler, tepki boyutları çok fazladır, ve tepkileri çevreden gelen uyarının boyutlarına bağlı olarak değişiyor. Örneğin ısıtıldıklarında yüzlerce misli
hacımlarını değiştirirler.
Genel anlamda mühendislik yapılarının, problemleri algılayan ve uygun cevaplar verebilen akıllı malzemelerle donatılmış olması gerekiyor. Yer sarsıntısını algılayan ve cevap veren akıllı malzemelere örnek olarak Osaka da Dowa Kasai Phoenix Tower (145 m) verilebilir. Bu binadaki DUOX titreşim kontrol sistemi gerek depremlerin ve gerekse kuvvetli rüzgarların
neden olduğu sallantıları tamamen bastırıyor. Genelde akıllı malzemeler sistemleri iki farklı akıllı malzemeden oluşuyor: Biri titreşimleri hissediyor, buna bağlı olan diğer malzeme ise mekanik özelliklerini harekete bağlı olarak değiştiriyor. Diğer bir örnek, arabalarda ve uçaklardaki gürültüyü azaltma sistemleri: Ses dalgaları nedeniyle ortaya çıkan hava basıncındaki değişimlere duyarlı bir akıllı malzeme içeriyor, bu malzeme bu uyarıyı bir elektrik sinyaline çeviriyor ve bu sinyal bir mikrofon yardımı ile gürültüyü yok edecek ses dalgaları yayıyor. Bu tip sistemler mekanik ve elektrik enerjiyi birbirine çevirebilen piezoelektrik malzemelerden oluşuyor.
Akıllı malzeme kullanım konsepti yeni olmasına rağmen akıllı malzemeler uzun zamandır biliniyor. Biraz önce bahsettiğim piezoelektrik malzemeler, yani sıkıştırıldıklarında elektrik sinyali üreten malzemeler ilk olarak 1880 yılında Curie kardeşler tarafından keşfedildi. Kuarz gibi bazı doğal mineraller piezoelektriktir. Bugün kullanılan en önemli piezoelektrik kurşunzirkonat-titanattır (PZT). Bu tip piezoelektrik malzemeler stress ve strain sensörü olarak
kullanılabiliyor. Poliviniliden florür gibi bazı polimerlerde piezoelektriktir; sert ve kırılgan
seramik malzemelere karşın tok ve yumuşak polimerlerin bu amaçla kullanımı bir çok avantaj sağlıyor. Böyle bir malzemeden yapılmış ve ince bir zar şeklinde bir tabaka örneğin dokunmaya duyarlı klavye olarak kullanılıyor.
AKILLI POLİMERLER VE AKILLI JELLER:
Sahip oldukları üstün özellikleri nedeniyle polimerlerin akıllı malzeme olarak kullanılması üzerinde çok yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Polimerlerin akıllarının nereden geldiğini açıklamak için ilk önce bir polimer zincirinin polimer malzeme içinde nasıl bulunduğunu, yani
gerilmiş bir ip gibi mi, yoksa kompak bir yapıda mı olduğunu bilmek gerekiyor. Zincirin uzayda yönlenmesine konformasyon diyoruz. Konformasyonu zinciri oluşturan monomerler ve aradaki bağ açıları ile dönme açıları belirliyor. N tane monomerden oluşan zincir için N-2
tane rastgele dönme açısı olacağından tüm dönme çılarının sıfır olma olasılığı, yani planar zig-zag konformasyon olasılığı hemen hemen sıfırdır. En büyük olasılık rasgele yumak şeklinde bir zincir ve zincir uçları arası mesafe R0 ın N den çok küçük olmasıdır.
Bir polimer zincirinin iki ucuna bir F kuvvetinin etki ettiğini düşünelim. Deformasyon öncesi uçlar arası mesafe R0 iken bu kuvvet etkisi ile mesafe R ye kadar artar. Deformasyon oranı x = R / R0 olarak tanımlarsak deformasyonda zincirin iç enerjisi değişmez, sadece entropisi değişir. Polimer zincirine yapılan iş x2 ile kuvvet ise x ile orantılıdır. Yani, bir polimer zincirinin Hooke yasasına uyduğunu ve polimer molekülünün bir yaya benzediğini görüyoruz. Sonuç olarak polimer zincirini nano ölçekte bir yay olarak göz önüne alabiliriz. Yay sabiti k polimerlerin elastik modülüne karşılık gelmektedir.
Bir metal yayın şeklini ancak onu çekerek değiştirebiliriz. Bir polimer zincirin şeklini sadece onu çekerek değil, çevreden gelen çeşitli uyarılarla da değiştirebiliriz. Sıcaklık, pH, solvent kalitesi, nem, elektriksel veya manyetik alan, toksinlerin varlığı, vb gibi etkilerle zincir boyutları değişebilmektedir. Polimer zincirlerinin diğer bir özellikleri dış etkendeki çok az bir değişiklik ile, örneğin ortam sıcaklığının çok az değişmesi ile aniden çok büyük boyut değişikliği göstermeleridir, 0.1 'C lik bir sıcaklık değişimi ile çözelti içerisinde boyutları 100 misli değişebilen sıcaklığa duyarlı polimer zincirleri örnek olarak verilebilir. Bu ani hacım değişikliği birinci dereceden bir faz geçişinin sonucudur.
Yukarıda bahsedilen zincir boyutlarındaki değişimleri çıplak gözle izleyemeyiz. Bu değişimler makroskopik olarak nasıl gözlenebilir? Çapraz bağlı polimer zincirleri ile mikroskopik ölçekteki zincir boyutlarındaki değişimler makroskopik olarak gözlenebilmektedir. Polimer zincirlerinin çapraz bağlanması ile oluşan yapıları hiç bir çözücüde çözemeyiz ancak şişirebiliriz. Sıvı ortamda şişebilen çapraz bağlı polimerlere polimer jeli denmektedir. Bir jel içindeki zincirlerin boyutlarındaki değişimleri makroskopik jel örneğinin boyutlarındaki değişimden izleyebiliriz. Örneğin jeli deforma ettiğimizdeki jel örneğinin boyutlarındaki deformasyon oranı tek tek zincirlerin deformasyon oranına karşılık gelmektedir. Sıcaklık, pH,
nem, çözelti konsantrasyonu, manyetik veya elektrik alan, ışık, UV radyasyonu gibi çevresel uyarılara karşı şişerek veya büzülerek jeller cevap verebilmektedir. Akıllı jeller yada uyarı- cevap (stimuli-responsive) jeller denilen bu malzemeler konusunda fizikçiler, kimyacılar,
biyologlar, tıp araştırmacıları ve mühendisler son yıllarda yoğun araştırmalar yapmaktadır.
Doğada pek çok jel vardır. En iyi bilineni gıda maddesi olarak kullanılan jöle olup katı kısmı hayvansan bir protein olan jelatinden oluşmakta olup geri kalan % 97l ik kısmı ise sudur. Göz boşluğunu dolduran sıvı, kan damarlarının duvarları, mide, bağırsak ve akciğer yüzeyleri jellerle kaplı, ayrıca iskeletteki eklemlere hareket olanağı sağlayan akışkan da jel yapısındadır. Jellere örnek olarak deniz anası verilebilir. İçerisinde basit organların bulunduğu suda şişmiş bir jelden oluşmaktadır. Bu durumda beslenir, çoğalır ve dış etkenlere karşı kendisini savunur. Örneğin herhangi bir dış etken kendisine dokunursa, elastik yüzeyini sertleştirir, bu saldırı durumu devam ederse vücut duvarını viskoz bir sıvı kütlesi haline getirerek kendini korur. Yani deniz anasına akıllı bir jel olarak bakılabilir.
Fiziksel jellerden farklı olarak kimyasal jellerde polimer zincirleri çapraz bağlarla birbirlerine bağlanır, ya da zincir oluşumu ve çapraz bağlanma aynı zamanda yapılır. Kimyasal jellerin sentezleri konusunda yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Jel sentezinde kullanılan monomer yapılarına bağlı olarak belirli çevresel uyarılara cevap verebilen akıllı jel sentezleri
yapılmaktadır.
Akıllı jeller nerelerde kullanılıyor veya kullanılabilir:
Kontakt lensler, yapay organlar vb gibi malzemelerin yapımı, Hacımlarının bin misline kadar su emebilen jeller yani süperabsorbanlar: ziraatta su tutucu olarak (suyu yavaş yavaş vererek toprağın daha uzun süre ıslak kalması sağlanıyor), çocuk bezi olarak günümüzde kullanılmaktadır.
Kontrollu salınım sistemlerinde:
Mide pH sı olan 1-2 civarında aniden şişen jeller içlerindeki ilacı midede boşaltmaktadır. Yada pH 7 nin üzerinde yani bağırsaklarda ilacını veren jeller veya vücut sıcaklığı 37'C nin üzerine çıktığında büzülerek ilacını atan jeller. Vücuttaki glükoz seviyesi kritik bir değerin üzerine çıktığında cevap olarak insulin salan sentetik pankreasta bunlara bir örnek. Balon tedavisinde kalp damarları içine takılan stend lerin yüzeyine son yıllarda ilaç içeren jeller kaplanmakta ve jelin ilacı uzun bir süreçte (6 ay) kalp damarına vermesi
sağlanmaktadır.
Jeller kemomekanik sistemler oluşturmaktadır. Yani kimyasal enerjinin doğrudan mekanik işe çevrilmesi mümkün olmakta ve özellikle, güç elde etmek için kullanılan sıradan cihazların kullanımının sınırlı veya zor olduğu yerlerde, örneğin denizaltında, uzayda ve insan vücudunda kullanılmaktadır.
Kimyasal sensör olarak: fiber optik üzerine jel kaplanarak nem ölçer olarak kullanılıyor. Ortamdaki suyun jele girişi esasına dayanmaktadır. Köprü yapılarında su girişini ölçmek amacı ile PEO esaslı hidrojellerden optik elyaf sensörü geliştirilmiştir.
1996 yılında “smart gel” adıyla piyasaya çıkan ticari jel oda sıcaklığında yumuşak ve esnek olup, vücut ısısına maruz kaldığında katılaşan bir yapıdır. Bu jel ayakkabıların ve patenlerin içine yerleştirilerek ayağa gerekli desteği ve konforu sağlamak amacıyla kullanılmakta.
Çevresel uyarılara hızlı cevap veren jeller: robotlar ve diğer mekanik aygıtlarda veya insan protezlerinde kas olarak kullanılması için çalışılmaktadır. “Jel el” diye geliştirilen bir sistem sıcaklık değişimi ile nesneleri tutmak amacıyla kullanılan bir tür mikrocımbızdır.
Görünmeyen makinalar (hareketli parçaları gözle görülemiyecek kadar küçük makinalar):
Klasik anlayışla böyle makinaların yapımı, yapıldıktan sonra tamiri çok zordur. Jeller ile mikroskopik subaplar yapılabilmektedir. Çeşitli tipte şekil hafızalı jeller geliştirilmiş olup bu jeller dış etkenlere bağlı olarak şeklini değiştirebilmekte yada yazılar yazabilmektedir.
Elektroreolojik sıvılar: Mikroskopik polimer partiküllerin suspensiyonu olan elektroreolojik sıvılar elektrik alan altında katı ile sıvı arasında değişirler. Şok absorplayıcı, titreşim giderici olarak çok önemli kullanım alanları vardır. Bu sistemlerin manyetik eşdeğeri ise magnetoreolojik sıvılar (ferrosıvılar çok küçük manyetik partiküllerin süspensiyonu olup manyetik alan uygulandığında partiküller birbirlerine yapışarak ortamı katılaştırmaktadır.
“shake gels”: Kil ve polimer karışımlarının sulu çözeltileri çalkalandıklarında jel oluştururlar
ve bir süre geçince tekrar sıvı haline dönüşürler.
Yakın zamanda geliştirilen renk değiştiren jeller için:
• Değiştirilme süreleri geldiğinde ya da enfeksiyon olduğunda renk değiştiren yara bantları,
• Son kullanma tarihi geldiğinde renk değiştiren gıda ambalajları, gibi kullanım alanları görülüyor.
Diğer yandan elektriksel uyarı ile renk değiştiren jeller de yoğun ilgi çekmekte ve e-dergi yada e-kitap yapımında kullanımı araştırılmaktadır
Kaynak: www.kimya.itu.edu.tr/ookay/Davetli_okay.pdf
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder