ISLANMAYAN YÜZEYLER: LOTUSTAN FEYZ ALMAK

Üstümüze dökülen o sıcak çayı pantolonumuz emmeseydi de acılar içinde çırpınmasaydık… Veya iş yemeğinde ısmarladığımız o bol soslu yemek beyaz gömleğimize damlayıp bir madalya gibi üstümüzde kalmasaydı… Ya da kışın araba kullanırken ön camı buğu tutmasaydı da sürüş güvenliğimiz tehlikeye düşmeseydi… Bunun gibi kimi zaman hayati durumlara, kimi zaman da ufak detaylara sayısız örnek verebiliriz, ama konu hepsinde ortak: Yüzeylerin ıslanması.

Malzeme bilimi uzun süredir hayalini kurduğumuz ıslanmayan yüzeyleri gerçeğe dönüştürebilmek için bir yandan hızla gelişen nanoteknolojiyi, bir yandan da 100 milyonlarca yıllık evrimin sonucu olan doğadaki yapıları kendine örnek alıyor ve doğrusunu söylemek gerekirse ilk sonuçlar hiç de fena değil. Ama son buluşlara bir göz atmadan önce isterseniz teknik olarak konuyu biraz öğrenelim.

Yüzeylerin karşı konulamaz cazibesi

Islanmak veya ıslaklık diyince aklımıza sıvı olarak hemen su geliyor ama teknik olarak bütün sıvıları konuya dahil edebiliriz. Tanım olarak ıslanmak bir sıvının katı bir yüzey üzerinde yer kaplama becerisidir. Bilindiği gibi katı cisimlerin molekülleri sıvılarınkine kıyasla birbirlerine daha sıkı bir şekilde bağlıdır. Bu yüzden katıların şekli değişmezken sıvılar bulundukları kabın şeklini alırlar, ama sıvılar gaz molekülleri gibi de dağılıp gitmezler, çünkü sıvı moleküllerini hala bir arada tutan kuvvetler mevcuttur. Dolayısıyla katı bir yüzey üzerine bırakılan sıvı molekülleri mümkün olduğunca birbirlerine bağlı kalmak isterler, ama eğer katı yüzeyi oluşturan molekülleri kendinlerine daha “yakın” hissederlerse de yüzeye yayılmayı, yani o yüzeyi ıslatmayı tercih ederler.

Kısacası bir yüzeyin ıslanıp ıslanmaması, söz konusu sıvı moleküllerini birbirlerine bağlayan koheziv kuvvetlerle, sıvı ve yüzey molekülleri arasındaki adheziv kuvvetlerin arasındaki rekabete bağlı. Örnek vermek gerekirse, cam bir yüzeyin üstüne dökülen su damlaları yüzeyi ıslatır, çünkü cam ve su molekülleri arasındaki “uyum” su moleküllerinin karşı koyamayacağı kadar yüksektir (Resim 1a). Diğer taraftan civa damlaları cam yüzeyi ıslatmayıp, derli toplu bir halde bulunacaklardır, çünkü civa molekülleri için cam yüzeye yayılmak bir arada durmaya nazaran daha pahalıya patlar (Resim 1b).  Tabii burada ölçüt olarak paradan değil, enerji ve entropiden bahsediyoruz. Uzun sözün kısası, eğer bir sıvı için katı bir yüzeye yayılmak enerjik ve entropik bağlamda daha avantajlı ise, o sıvı söz konusu yüzeyi ıslatır.

Bilim insanları sıvı-yüzey etkileşimlerini hem nicel olarak inceleyebilmek hem de daha kolay kategorize edebilmek için bir sıvının katı bir yüzey ile kurduğu temas açısını incelerler. Buna göre, bir sıvı bir yüzeyi ne kadar az ıslatırsa sıvı damlacıkları o kadar küresel bir şekle sahip olur, dolayısıyla damlacıkların temas açısı da yükselir (Resim 2). Örnek olarak su damlacıkları cam yüzeyde 90 dereceden daha küçük temas açısına sahipken (camın türüne göre bu değer değişir), civa damlacıkları cam üzerinde 140 derece civarında bir temas açısına sahiptir [3]. Tanım itibariyle, eğer damlaların temas açısı 90 dereceden küçükse o yüzey ıslanmıştır, 90 dereceden büyükse ıslanmamıştır.

Günlük hayatımızdaki yerleri sebebiyle yağ ve su yüzey araştırmalarında kullanılan en popüler iki sıvıdır. Bu yüzden yüzeylerin su ve yağa karşı olan davranışlarını betimlemek için özel terimler kullanılır. Suyla ıslanan yüzeyler (yani temas açısı 90 dereceden küçükse) susever (hidrofil) olarak adlandırılırken, suyla ıslanmayan yüzeyler susevmez (hidrofob) olarak adlandırılırlar. Suya karşı hiç ıslanmayan yüzeyler ise süperhidrofob olarak adlandırılır, ve temas açısı 150 derece veya üstüdür [4]. Yağ söz konusu ise yüzey için yağsever (oleofil) ve yağsevmez (oleofob) terimleri kullanılır. Çoğu zaman su ve yağın karşıt kimyasal yapıları sebebiyle susevmez bir yüzey yağsever, susever bir yüzey ise yağsevmez olabilir, ama bir yüzeyin aynı zamanda susevmez ve yağsevmez olması veya tersi de gayet mümkün.

Nasıl ıslatmamalı?

Yazının başında belirttiğimiz gibi ıslanmayı etkileyen iki ana etken söz konusu; yüzeyin kendisi ve de yüzeye dökülen sıvı. Su veya yağ tarafından ıslanmayan yüzeyler elde etmek için sıvıyı değiştiremeyeceğimize göre tek çaremiz yüzey ile oynamak. Burada şanslı olduğumuz nokta, elimizdeki cismin (kumaş, tava, cam vs.) tamamını değil, sadece sıvıyla temas halinde olan tabakasını, yani yüzeyini değiştirmek zorunda olmamız, ki bu bizi büyük bir masraftan kurtarıyor. Ayrıca bu sayede tasarımımızdan da ödün vermek zorunda kalmıyoruz. Bir yüzeyi değiştirmek için kimyasal ya da fiziksel yöntemler, veya her ikisini de kullanabiliriz. En çok kullanılan kimyasal yöntem söz konusu yüzeyi kimyasallarla kaplamakken, fiziksel yöntemlerle yüzeyin mikroskopik ve moleküler ölçekte “deseni” değiştirilir.

En meşhur susevmez kimyasallardan birisi teflondur desek herhalde yanlış söylemiş olmayız. Mutfaklarımızda kullandığımız yapışmaz tavalardan bildiğimiz teflon, DuPont tarafından geliştirilmiş, yüksek oranda flor içeren polimerlerden oluşan bir bileşiktir [5]. Flor içeren bu kimyasal gruplar aşırı derecede susevmez oldukları için pişirdiğimiz yemekler teflon kaplı tavalara yapışmaz, çünkü pişirdiğimiz yemekler yüksek oradanda su içerir. Teflon tava kullanırken dikket edilmesi gereken iki önemli şey var. Birincisi teflon tabakanın yekpare halde tavaya bağlı kalması, yani sivri bir cisim tarafından çizilmemesi veya kazınmaması, bu yüzden teflon tavalarda metal kaşık veya bulaşık teli kullanılmamalı. Aksi taktirde, zamanla teflon tabaka tavadan ayrılır ve tavanın yapışmaz özelliği kaybolur. Bunun yanında içine teflon karışmış yemeklerin sağlığa etkisi hakkında da iyi şeyler yazılmıyor [6]. İkinci önemli nokta ise teflonun sıcaklığının 260 santigrad dereceye ulaşmaması çünkü bu sıcaklıkta teflon kimyasal yapısını kaybedip yanmaya başlıyor. Bu yüzden 260 dereceden düşük yanma sıcaklığına sahip bir yağ kullanmak çok önemli (mesela avokado ve aspir yağları kullanılmamalı) [6]. Unutulmaması gereken teflonun burada sadece bir örnek olduğu. Herhangi bir kimyasal yöntemle kaplanan bütün yüzeyler için de dikkat edilmesi gereken benzer durumlar söz konusu.

Gelelim lotusun faydalarına

Yüzeylerin fiziksel yöntemlerle ıslanmaz hale getirilmesi doğada sıkça karşılaşılan bir durum. Pürüzsüz bir yüzeye sahip olmak yerine, mikroskopik veya moleküler ölçekte bir yüzey desenine sahip olmak büyük farklar yaratıyor. Uzak doğu toplumlarında mistik bir öneme sahip lotus bitkisi bilim camiasındaki en ünlü örneklerden, öyle ki su tutmayan ve su damlalarının kayıp gittiği bir yüzey için “lotus etkisi”ne sahip deniyor (Resim 3). Yeri gelmişken belirtelim, su damlaları lotus yaprağı üzerinde 150 derece civarında bir temas açısına sahip [7]. Lotusun yaprakları bir çeşit yağlı tabaka ile kaplı, dolayısıyla yaprakların yüzeyi “kimyasal olarak” zaten kısmi olarak ıslanmaz hale getirilmiş. Diğer taraftan bu yaprakların yüzeyleri 10-20 mikrometre (1000 mikrometre = 1 milimetre) büyüklüğünde tepeciklere ve onların da üzerinde yer alan nanometre ölçeğindeki (1000 nanometre = 1 mikrometre) dikenlere sahip. Böyle bir desen de su damlalarının yüzeye oturmasını hepten önlüyor ve yaprağın üzerindeki toz ve kir zerreleri de kayan damlalarla birlikte yaprakları terkediyor. Bir başka deyişle, lotus bitkisi kendini her daim temiz tutmayı başarıyor.

Sıvıların davranışı sırf yüzeylerin desenine göre de değişebiliyor. Buna en güzel örnek taçyaprak etkisi [7]. Güllerin taçyapraklarına ithafen isimlendirilen bu etki de su damlalarının yüzeyi ıslatmasını önlüyor, ama damlalar lotustaki gibi kayıp gitmek yerine taçyapraklara yapışık kalıyorlar. Güllerin taç yaprakları da lotusunkine benzer bir yüzey desenine sahip, ama bu sefer tepeciklerin arasındaki mesafeler daha geniş. Dolayısıya su damlaları kısmi olarak yüzeye oturabiliyor. Tepeciklerin üstündeki dikenler arasındaki mesafeler ise lotus bitkisininki gibi, o yüzden su damlaları taçyapraklarını aslında ıslatamıyor.

Temmuz sayımızda parmak izi tutmayan cep telefonu ekranlarına dair bir makale yayınlamıştık [9]. Oradaki örnekte parmak izlerinin içerdiği yüksek yağ miktarından dolayı cep telefonu ekranları yağ tutmayan bir bileşikle kaplanıyor, ama bu bileşiğin kimyasına dair patentte hiç bir ipucu verilmemiş, ki şaşırtıcı değil [10]. Elimizde su tutmayan yüzeylere dair bir çok bilgi birikmiş durumda ama aynı şey yağ tutmayan yüzeyler için geçerli değil. Yukarıda detaylıca bahsettiğimiz klasik teflon kaplı yüzeyler su tarafından ıslanmıyor, ama maalesef yağlara karşı koyamıyorlar. Dolayısıyla giysilerimizi sıradan teflonla kaplasak bile üstümüze dökülen zeytinyağını engelleyemeyeceğiz. Teflonun üreticileri görünüşe göre bu duruma bir çare bulmuşlar ve kumaşları hem yağdan hem de sudan koruyacak bir kaplama geliştirmişler bile (kimyasal detaylar tabii ki saklanıyor) [11]. Ama aynı ürün ismini kullandıklarına göre bu yeni kaplama da yine flor grupları içeren polimerler bulundurmalı. Buna ek olarak, silikon gibi yağsevmez, yeni kimyasal gruplar eklemiş olmaları ihtimal dahilinde.

Bir başka örnek ise kaplandığı yüzeyi hem suya hem de yağa karşı lotus etkisiyle koruyan yeni bir kimyasal bileşik [12]. Kullanım kılavuzuna göre yüzey önce yüksek oranda susevmez bileşikler içeren bir alt tabaka ile kaplanıyor. Yüzey daha sonra yağsevmez olduğunu tahmin ettiğim silikon gruplar içeren başka bir tabaka ile kaplanıyor. Kaplama süreci bittikten sonra yüzey büyük ihtimalle yağsevmez ve susevmez gruplar içeren mikroskopik yamalar bulunduruyor. Reklam videolarında gösterildiği gibi lotus etkisi de görüldüğüne göre, kaplamaların dikensi bir yüzey deseni oluşturması da olası. Beklenildiği gibi, kaplanan yüzeyleri aşınmaya ve deterjanla temizlemeye karşı da uyarıyorlar (deterjan hem susever hem yağsever gruplar içerdiği için, kaplamaları yüzeyden bulaşık gibi temizliyor olmalı).

Yüzeylerin ıslanmasını önleyebilmek klasik kuruluk anlayışından öte bir öneme sahip. Misal, denizcilik uygulamalarında teknelerin çürümesini önlemek veya tıbbi alet ve edevatların steril kalabilmesini sağlamak hayati örneklerden bazıları. Ne olursa olsun, kimyasal yöntemlerin tek başına yeterli olmadığını malzeme ve yüzey bilimcileri artık öğrenmiş durumda ve lotus bitkisinin yüzey deseni gibi doğadaki bir çok örnek taklit edilmeye başlandı bile. Ne yazık ki, yapay olarak oluşturulan bu “akıllı” yüzeyler doğadaki örneklerine kıyasla hala önemli ölçüde gerideler, çünkü kendilerini tamir etme yetenekleri hala yok. Bu da bilim insanlarının yeni hedefi olsa gerek.

Kaynaklar

Kapak resmi: Flickr

1. http://www.flickr.com/photos/pandora_6666/4842827177/
2. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pouring_liquid_mercury_bionerd.jpg
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Superhydrophobe
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Teflon
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Teflon#Safety
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Lotus_effect
8. http://en.wikipedia.org/wiki/File:LotusEffekt1.jpg
9. http://www.acikbilim.com/2013/07/dosyalar/parmak-izlerine-nanoteknolojik-cozum.html
10. Patent Publication No: US 2011/0195187 A1, Aug. 11, 2011, Assigned by APPLE INC.
11. http://www2.dupont.com/Teflon_Fabric_Protector/en_US/products/benefits_teflon_fab.html
12. http://www.ultraeverdrystore.com/how-to-use/