AKILLI MALZEMELER

Bugün doğadaki malzemelerin yapısını inceleyerek bunları çalışmalarında örnek olarak kullanan pek çok bilim adamı vardır. Çünkü doğadaki materyaller ihtiyaç duyulan sağlamlık, hafiflik, esneklik gibi özelliklere sahiptir. Örneğin "Abalone" adı verilen bir deniz canlısının iç kabuğu, yüksek teknolojiyle üretilen seramiklerden iki kat daha dayanıklıdır; örümceğin ipeği çelikten beş kat daha sağlamdır; midyedeki yapışkan ise suyun altında dahi etkisini koruyabilmektedir.

Bilim ve Teknik Dergisi araştırma ve yazı grubunun bir üyesi olan Gülgün Akbaba, doğadaki malzemelerin üstün özelliklerinden ve insanların bunlardan nasıl yararlanacağından şöyle bahseder:
Geleneksel seramik ve cam malzemeler, hemen her gün kendini yenileyen teknolojiye ayak uyduramaz hale geldi. Bilim adamları bu boşluğu doldurabilmek için çalışmalar yapıyorlar. Doğadaki yapıların mimari sırları yavaş yavaş çözülmeye başlandı… Tıpkı doğadaki bir midye kabuğunun kendi kendini yenilemesi ya da yara almış bir köpek balığının derisinde gerçekleşen onarım gibi, teknolojilerde kullanılan malzemeler de kendi kendini yenileyebilecek. Daha sert, sağlam, dayanıklı, üstün fiziksel, mekanik, kimyasal ve elektromanyetik özelliklere sahip olan bu malzemeler, örneğin uzay araştırmalarında roket, uzay mekiği, uydu taşıyıcıları gibi araçların atmosfer giriş ve çıkışlarında gereksinim duyulan yüksek sıcaklıklara dayanıklılık ve hafiflik özelliklerini taşıyor. Kıtalararası ulaşım için geliştirilmesi planlanan süpersonik dev yolcu uçakları çalışmalarında da ağırlıkça hafif ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı malzemeler gerekiyor. Tıpta örneğin yapay kemik üretiminde gereksinim duyulansa, süngerimsi görünüşü, sert yapısıyla dokusu doğala olabildiğince yakın malzemeler.( "Malzeme Biliminin Önderlerinden İlhan Aksay", Bilim ve Teknik, Şubat 2002 s.92)

İlhan Aksay

Seramik, inşaattan elektrik malzemelerine kadar geniş kullanım alanı olan bir malzemedir. Ne var ki bu malzeme üretilirken çoğu zaman 1000-1500 oC'den daha fazla sıcaklıklara ulaşan bir ısının kullanılması gerekir.

Doğada birçok seramik malzeme vardır. Ancak bunların oluşumu sırasında hiçbir zaman böyle yüksek sıcaklıklar kullanılmaz. Örneğin midye kabuğu 4oC'de ve en mükemmel biçimde oluşmaktadır. Doğadaki bu üstün yaratılış örneği bir Türk bilim adamı olan İlhan Aksay'ın dikkatini çekmiş ve kendisi daha iyi, sağlıklı, kullanışlı, işlevsel seramiklerin nasıl üretileceği konusuna yönelmiştir. Bazı deniz hayvanlarının kabuklarının iç yapılarını inceleyen Aksay, Abalone adlı deniz canlısının kabuğundaki yapının olağanüstülüğünü hemen fark etmiştir. Aksay konuyla ilgili şunları söyler:

Midye kabuğu elektron mikroskobu altında 300.000 kez büyütüldüğünde, tuğladan bir duvar görünümü ortaya çıkar. Bu duvar, harç niteliğindeki bir proteinden ve kalsiyum karbonattan yapılmış tuğlalardan oluşur. Kalsiyum karbonat kırılgan bir niteliğe sahip olmasına karşın, kabuk katmanlı yapısından dolayı olağanüstü sağlam ve insan yapımı seramikten daha az kırılgandır. Bir halatın sadece bir ipi koptuğunda bütün halat kopmuş olmaz. İşte buna benzer şekilde midye kabuğunun bu katmanlı yapısı çatlakların yayılmasına engel olur.( www.princeton.edu/.../publicity/ PAW19980128/0128feat.htm)

Midye kabuğu mikroskobik boyuttaki tuğlalardan oluşur. Bu katmanlı yapı kabuktaki çatlakların yayılmasına engel olur.

Aksay, bu modellerden esinlenerek son derece sert ve dayanıklı alüminyum-bor karbür metal- seramik bir malzeme geliştirmiştir. Bu malzeme, ABD'de ordunun çeşitli laboratuvarlarında denendikten sonra tanklarda zırh olarak kullanılmıştır.

Bugün bilim adamları biyomimetik malzemelerin üretilmesi için mikroskobik boyutlarda incelemeler yapmaktadır. Bu bilim adamlarından biri olan Prof. Aksay da, kemik ve diş türü biyoseramiklerin, vücut sıcaklığında, protein gibi organik maddelerin birleştirilmesiyle oluştuğunu ve bunların insan üretimi seramiklerden çok daha üstün nitelikler gösterdiğini açıklamıştır. Aksay'ın çalışmaları, yani doğadaki üstün niteliklerin nanometre (milimetrenin milyonda biri) boyutlarındaki birleştirmeden kaynaklanmış olduğu tezi, bu boyutlarda araç üretmeyi amaçlayan birçok elektronik şirketini biyoesinli malzeme (biyolojik malzemelerden esinlenilerek hazırlanan insan yapısı malzemeler) araştırmalarına yöneltmiştir.

Endüstride kullanılan pek çok madde zararlı kimyasalların bulunduğu, yüksek ısı ve basınç gerektiren ortamlarda üretilirler. Halbuki doğadaki materyaller "yaşam dostu" olarak ifade edebileceğimiz zararsız koşullarda -örneğin su bazlı solüsyonlarda, oda sıcaklığında- üretilirler. Bu da kuşkusuz, bilim adamları için son derece önemli bir avantaj sağlar.

Abolone adlı deniz canlısından esinlenilerek elde edilen malzeme, ABD'de ordunun çeşitli laboratuvarlarında denendikten sonra tanklarda zırh olarak kullanılmıştır.

Sentetik elmas üreticileri, metal alaşım tasarımcıları, polimer bilimcileri, fiber optik uzmanları, ince seramik üreticileri ve yarı-iletken malzeme geliştirenler en pratik yol olarak biyomimetik yöntemlerine başvurmaktadırlar. Çünkü her yönden ihtiyaçlarına cevap veren doğadaki malzemeler, aynı zamanda çok geniş bir çeşitliliğe de sahiptir. Dolayısıyla çeşitli dallarda araştırma yapan uzmanlar, kurşun geçirmez yeleklerden jet motorlarına kadar pek çok konuda, doğada bulunan üstün özelliklerdeki malzemeleri suni yollardan elde edebilmek için orijinallerini taklit etmeye başlamışlardır.

İnsanların yaptığı malzemeler bir süre sonra çatlar, kırılır. Bu durumda dışarıdan bir müdahaleyle, örneğin yapıştırmayla malzeme onarılır. Oysa doğadaki durum farklıdır. Midye kabuğu gibi doğadaki bazı malzemeler kendi kendilerini yenileyebilirler. Bilim adamları da son dönemde kendini yenileyebilen polimerler, polisiklatlar vb. malzemeler üzerinde çalışmalara yönelmişlerdir.

Mercanlar sağlamlık açısından midye kabuklarındaki sedef ile yarışabilir. Mercanlar, denizdeki kalsiyum tuzlarını kullanarak gemilerin çelik gövdelerini yaracak kadar sert bir yapı oluştururlar.

Doğadaki pek çok malzeme insanlara örnek olabilecek üstün özelliklere sahiptir. Mesela kemiğin bir gramı demirin bir gramına oranla çok daha sağlamdır.

Sağlam ve kendi kendini onarabilen biyoesinli malzeme geliştirmek için örnek alınan doğal malzemelerden birisi de gergedan boynuzudur. Bu araştırmalar, 21. yüzyılın malzeme biliminde üzerinde çalışılacak konulara temel olacaktır.