HER DEVRİN MALZEMESİ: AKILLI POLİMERLER

Günümüz şartlarında her ortama ayak uydurmak ya da her devrin insanı olmak her ne kadar pek hoş bir davranış şekli olmasa da, konumuz bilim ve üretilen yeni malzemeler olunca hayatlarımızı çok daha kolaylaştıran gelişmelere çanak tutuyorlar.

Bir polimerin veya daha genel tanım ile malzemenin akıllı olması demek, sıcaklık, nem, pH, ışık yoğunluğu, elektriksel veya manyetik alan gibi ortam değişikliklerine, renk veya transparanlığını değiştirerek, iletken hale gelerek, su geçirgen hale gelerek ya da şekil değiştirerek yanıt vermesi demektir. Mesela akıllı malzeme kullanılarak üretilen bir uçak kanadının herhangi bir çatlak veya hasar anında renk değiştirerek bunun fark edilmesini sağlaması ve hatta bunu kendi kendine onarması, bir otomobil camının çok güneşli bir günde karararak sizi güneşten koruması ve bulutlu havalarda berraklaşması, akıllı bir tuğla ile inşa edilmiş bir evin dışarıdaki hava değişimi ile enerji tasarrufu imkanı sağlayabilmesi gibi direkt olarak kullanıma yönelik örnekler akıllı malzemelerin ne derece hayati ve hayatı kolaylaştırır çalışmalar olduğunun da kanıtı aslında. Ayrıca mevzu bahis polimerlerimiz kendileri için büyük olan bu değişiklikleri, küçük ortam farklılıkları ile gerçekleştirebilmekteler ve bu sayede oldukça aktif olarak kullanılabilmelerine imkan tanımaktadırlar [1-2]. Çok farklı ortam değişkenlerine çok farklı yanıtlar alabildiğimizden, akıllı malzemeler büyük bir çalışma alanı demek oluyor. Günümüzde çokça kullandığımız akıllı malzemelerden bahsedecek olsak da bu yazıda daha çok şekil değiştiren, yani tam adıyla şekil hafızalı polimerlerden bahsedeceğiz.

Farklı Alanlarda Kullanılan Akıllı Malzemeler

Şekil hafızalı polimerlere geçmeden önce, akıllı polimerlerin farklı özellikleri ile nerelerde ve nasıl kullanıldıklarına gelin bir göz atalım. Yazının başında da bahsettiğimiz gibi, akıllı malzemeler farklı çevresel değişikliklere farklı tepkiler veren malzemelerdir.

Mimarlık alanında akıllı malzemelerin kullanımı oldukça yaygınlaşmış halde. Örneğin, bina cepheleri inşa edilirken akıllı malzemeler kullanılmakta ve bu malzemelerin sıcaklık farklılıklarına verecekleri tepkilerden yararlanılması düşünülmektedir. Kullanılan akıllı malzemenin faz dönüşümü 27 ⁰C’de başladığından dolayı, iç mekanın ısısı bu derecenin altına düştüğünde, faz değiştiren akıllı malzeme (FDM) depoladığı ısıyı mekana vermekte, yani bir nevi termostat görevi görmektedir. Bu faz değişimine bağlı olarak da, cephenin saydamlığı da değişmektedir. Bu tarz bir sisteme örnek olarak Alterswohnen (Domat/Ems, İsviçre, 2004, Dietrich Schwarz) binası verilebilir [3].

Daha çok japon mimarisinde tercih edilen akıllı malzemeler ise, beklenilen bir şekilde deprem ile bağlantılı sorunlara çözüm bulmak için kullanılıyor. Mesela Osaka’da inşa edilen Dowa Kasai Phoenix Kulesi’nde (145m) kullanılan teknoloji sayesinde gerek depremlerin gerekse kuvvetli rüzgarların yarattığı titreşimlerin ve sallantıların hissedilmemesi sağlanıyor. Bu yapıda iki farklı akıllı malzeme kullanılırken, biri oluşan titreşimleri hissediyor, diğeri ise mekanik özelliklerini bu hareketlere bağlı olarak değiştiriyor. Bu mekanik değişimler sayesinde de sarsıntıların veya kuvvetli rüzgarların oluşturduğu titreşimler ve sarsıntılar emilerek, binadakilerin hissetmemesi sağlanıyor. Eğer bu kulede böyle bir sistem geliştirilmemiş olsaydı, binanın içindeki insanlar kendilerini sallanan bir teknede hissediyor gibi olurlardı. Aynı şekilde acaba uçaklar ve arabalar da gerçekten sessiz mi diye sorgulayabilir miyiz? Aslında sorgulayabiliriz elbette çünkü akıllı malzemeler sayesinde, ses dalgaları nedeniyle ortaya çıkan hava basıncındaki değişimlere duyarlı akıllı malzemeler, bu uyarıları elektrik sinyaline çeviriyorlar ve bu sinyal bir mikrofon yardımı ile gürültüyü yok edecek ses dalgaları yaratıyorlar [4-5].

Sağlık sektöründe, özellikle ilaç taşıma [6] (istenilen etkin maddenin vücuttaki hedefe ulaşması sırasındaki taşınım) sistemlerinde akıllı malzemelerin büyük bir kullanım alanı mevcut. Bu tarz akıllı polimerler, yazının başında bahsettiğimiz gibi pH veya sıcaklığa karşı duyarlı olan polimerlerdir. Bu sayede hassas değişikliklerde bile, vücudun istenilen bölgelerinde, taşıdığı aktif maddenin salınımını gerçekleştirmek üzere, değişen pH ve sıcaklık gibi değerlere göre görevlerini yerine getirmektedirler [7].

Şekil Hafızalı Polimerler

Şekil hafızalı polimerler, deforme edildikleri şekillerinden orijinal şekillerine kendi kendilerine dönebilen akıllı malzemelerdir. İlk olarak, 1984 yılında Japon, Nippon Zeon Şirketi tarafından ortaya çıkarılmıştır. Biraz daha açmak gerekirse, bu polimerler, sizin geçici olarak verdiğiniz şekli alsa da, daha sonra duyarlı olduğu bir ortam değişikliği sayesinde (mesela sıcaklık gibi) orijinal şekillerine tamamen kendi kendilerine dönebilir, yani ilk şekillerini hafızalarında tutabilirler demek oluyor bu [8]. Akıllı derken gerçekten akıllı malzemelerden bahsediyoruz!

Şekil hafızalı polimerlerin, hafızasında tuttuğu genellikle iki bazen de üç şekil mevcuttur. Bu şekillerden birisi orijinal şekli iken diğeri ise deformasyon sonucu aldığı şekildir. Şekil hafızalı polimerlerin etkilendiği ortam değişkeni genellikle sıcaklık olmakla birlikte, bu değişken manyetik alan, ışık ya da bir solüsyon da olabilir. Bu sayede kullanım alanındaki çeşitliliği de artmaktadır.

Malzemelerin nasıl ki belli bir erime sıcaklıkları varsa, konu polimerler olduğunda erime sıcaklığına ek olarak bir de camsı geçiş sıcaklığından bahsetmemiz gerekiyor. Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) kısaca, maddenin camsı (amorf yani kristal bir yapı bulundurmayan) özelliklerini kaybedip ağdalı (hareketlilik kazanarak daha esnek bir yapıya bürünmeleri) özellikler kazanmaya başladığı sıcaklık sınırıdır ve bu sıcaklık sınırı erime sıcaklığından daha düşüktür [9-10]. İşte bu camsı geçiş sıcaklığı şekil hafızalı polimerler için oldukça önemlidir. Çünkü biraz önce de bahsettiğimiz gibi, bu polimerlerin kalıcı ve geçici olmak üzere iki farklı şekli vardır. Deforme halindeki geçici şekil, camsı geçiş sıcaklığının üzerindeyken verilir. Akıllı polimerler daha sonra soğutulduklarında bu geçici şekillerini korurlar ancak istenilirse dış etmenler ile (kuvvet gibi) kalıcı şekillerine döndürülebilirler. Dış etmenler ile kalıcı şekline döndürülen şekil hafızalı polimerler, tekrardan herhangi bir ortamda camsı geçiş sıcaklığının üzerine çıkarıldığında ise hafızalarındaki geçici şekillerine geri dönerler. Karışık gibi mi? Aslında izleyince hiç de öyle olmadığını görelim tam da bu noktada;

http://www.youtube.com/watch?v=E_VrPyDJqx4&w=480

Şekil hafızalı polimer örneği

Buraya kadar bahsettiklerimizde temel olarak akıllara takılabilecek bir iki soru olduğunu farzedersek, ilk olarak deforme edilen polimerin neden kalıcı deformasyona uğramadığını açıklayalım. Yani mesela bir metal levhayı alıp yeterince büktüğümüzde, elimizdeki metal deforme edildiği şekli ile kalır, yani bu kalıcı bir deformasyondur. Ancak şekil hafızalı polimerler diğer herhangi bir malzeme gibi eğilip büküldüğünde bunu kalıcı bir şekilde bünyesinde tutmadan, eski haline döndürülebilmekte çünkü biraz önce de dediğimiz gibi bu deformasyonlar camsı geçiş sıcaklığının üzerinde gerçekleştiriliyor ve bu sıcaklığın üzerinde bu polimerler süper esnek bir özellik gösteriyorlar. Bu nedenle de bu polimerleri istediğiniz gibi deforme etseniz de, verdiğiniz bu şekilden kalıcı şekline dönüşünüz ve kalıcı şeklinden tekrardan geçici şekline dönüşünüz mümkün olabiliyor.

Bu özelliklere sahip şekil hafızalı polimerler, hala ağırlıklı olarak laboratuvar ölçekli üretim ve araştırmalarda geniş yer bulsalar da aynı zamanda endüstriyel kullanım aşamasında da kendisine yer bulabilmiş malzemelerdir. Farklı uygulama alanlarında yer bulabilmesi için araştırmalar ise devam etmekte.

Akıllı polimerler sadece inşaat, havacılık, otomobil, ya da ileri mühendislik uygulamalarında değil, hepimizin ortak noktası sağlık sektöründe de çeşitli uygulamalarda karşımıza çıkmakta. pH 1-2 civarında iken midede, pH 7 üzerinde olduğunda bağırsakta, ya da vücut sıcaklığı 37 ⁰C’yi geçtiğinde ilaç salınımını yapan akıllı polimerler mevcuttur. Ek olarak, vücuttaki glikoz seviyesi kritik bir değerin üzerine çıktığında cevap olarak insülin salınımı gerçekleştiren sentetik pankreaslar, yüzeyine kaplanan akıllı polimerler sayesinde ilaçları belirli bir zaman içerisinde verebilen balon tedavisinde kalp damarlarının içine takılan stentler, bu uygulama alanında bahsedebileceğimiz temel örneklerdendir.

Tekstil sektöründe biraz da ütüden nefret edenlere ilaç gibi gelecek uygulamalar mevcut. Mesela buruşuk bir hale gelen kumaşların, sıcak hava üflenmesiyle -ki bu saç kurutma makinesi bile olabilir- eski düzgün hallerine dönmeleri gibi. Tasarımcılar burada ortam değişkeni olarak sıcaklık değişimini kullanıyorlar ve deforme (buruşukluk) haldeki kıyafetin, tekrardan orijinal olan düz haline dönmesini sağlıyorlar. Yine tekstil sektöründe, uzun kollu kıyafetlerin, sıcaklığın artması ile birlikte kısa kollu hale gelmeleri de benzer örneklerden birisi. Burada da sıcaklık artışı nedeniyle tetiklenecek olan uzun kumaşın, orijinal haline dönmesi için kendiliğinden katlanması ve toplanmasından yararlanılmakta. Aynı zamanda, açık denizlerde görev yapan denizciler için üretilen üniformalarda da şekil hafızalı polimerler kullanılarak ortamdaki sıcaklık değişimlerine duyarlı bir üniforma üretiliyor. Buradaki amaç ise üniformanın sıcaklık değişimlerine göre kendisini adapte etmesi ve bu sayede kişinin vücut ısısını sabit tutabilmesi.

Yazının ilk bölümlerinde diğer akıllı malzemelerin kullanıldığı mimarı uygulamalardan bahsetmiştik. Şekil hafızalı akıllı polimerler de yine aynı şekilde inşaat sektöründe sıklıkla kullanılan malzemeler. Mesela, pencere izolasyonunda kullanılan akıllı polimerler (köpük şeklinde üretilenler) yine ısı değişiklikleri ile genişleyebilen bir özelliğe sahiptirler. Bu genişleme özelliği pencere çerçevelerini kaplayıp, tam bir izolasyon sağlanması noktasındaki avantajı nedeniyle kullanılmakta. Bu uygulama alanlarına ek olarak, bazı küçük ama hayatı kolaylaştıran uygulamaları da mevcut şekil hafızalı polimerlerin. Son zamanlarda özellikle keman üretimlerinde, enstrümanı çalan kişinin temas ettiği boyun ve omuz bölgelerinde akıllı polimer kullanarak, bu bölgelerin her enstrüman çalan kişinin kendi özelliklerine göre şekil almasını ve çalan kişiye herhangi bir acı vermemesini sağlıyorlar [12-13].

Elbette şekil hafızalı polimerler, sağlık, tekstil veya gündelik malzemelerdeki uygulamalarının yanında, ileri mühendislik uygulamalarında da yer almaktadır. Şekil değiştiren uçak (morphing aircraft) olarak bildiğimiz uygulamalarda, uçak kanatları, uçuş sırasında verilen komutlar neticesinde istenilen şekli alabilmektedirler. Bu sayede bu tip uçaklar farklı uçuş koşulları altında en uygun uçuş performansı verebilmektedirler. Bu performans iyileşmesi de, yakıt ekonomisini, çok rollü görev kabiliyetini ve görev performansını iyileştirmektedir [14-15].

Sanırım bu noktaya kadar şekil hafızalı polimerlerin nasıl bir yapıya sahip olduğunu, neler yapabileceklerini nerelerde kullanıldıklarını ve neye benzediklerini temel olarak tartıştık. Yazının bu son kısımlarında hali hazırdaki ilgi çekici örneklere yer vererek bitirelim derim.

http://www.youtube.com/watch?v=u94z2VXHntU&w=480

İşte o sandalye

Sonuç olarak şekil hafızalı polimerler geniş bir araştırma alanına ve uygulama alanına sahip. Bu uygulama alanları kimi zaman bizlerin hiç görmediği bina inşaatlarında yer alırken kimi zamansa enstrüman çalan bir kişinin acı çekmemesi noktasında karşımıza çıkıyor. Şu an için sadece şekil hafızalı polimerlerin değil, aynı zamanda akıllı malzemelerin bilinmeyen özelliklerinin ve nasıl programlanabileceklerinin üzerinde çalışıldığı da düşünülürse gelecek zamanlarda çok daha yaygın bir kullanım alanı ile karşılaşmamız olası olacaktır. Ayrıca şekil hafızalı polimerlerin, akıllı malzemeler okyanusunda sadece küçük bir balık olduğunu da düşünürsek, geliştirilebilecek malzemeler ve ürünler, biz insanoğlunun ne kadar akıllı olduğuna ve hayal gücü sınırına bağlı kalıyor.