Normalde bir malzeme ne kadar sağlamsa o kadar az esner, ne kadar esnekse o kadar dayanıksız olur. Ancak Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) mühendisler, bu kuralı yıkan bir buluşa imza attı. Normalde sert ve kırılgan olan bir malzemeyi kullanarak, özel mikroskobik desenlerle hem inanılmaz derecede güçlü hem de şaşırtıcı derecede esnek bir yapı oluşturmayı başardılar.
Sert Malzemeden Esnek Yapı Böyle Yaratıldı
Bu yeni ‘metamalzemenin’ (yani özel tasarlanmış mikroskobik yapıya sahip sentetik malzemenin) sırrı, “çift ağ” (double network) adı verilen yapısında gizli. Araştırmacılar, pleksiglas benzeri sert bir polimer malzemeyi kullanarak, iki farklı mikroskobik yapıyı aynı anda ürettiler. Bunlardan ilki, sert ve ızgara benzeri bir destek çubukları ağı. İkincisi ise bu sert ağın etrafına örülmüş daha yumuşak, sarmal bobinlerden oluşan bir desen. Bu fikir, hem yumuşak hem de dayanıklı olabilen özel hidrojel (su bazlı jel) yapılarından ilham alınarak geliştirildi. Tüm bu karmaşık yapı, iki fotonlu litografi adı verilen çok hassas bir lazerli üretim tekniğiyle tek seferde basılıyor.
Malzeme Kopmadan Dört Kattan Fazla Uzayabildiği Görüldü
Ekip, ürettikleri mikron ila milimetre boyutlarındaki bu yeni malzemeyi çeşitli dayanıklılık testlerine soktu. Malzemenin iki ucundan çekilerek ne kadar kuvvete dayandığı ölçüldü ve bu sırada malzemenin nasıl esnediği, nerelerden yırtıldığı yüksek çözünürlüklü videolarla kaydedildi. Sonuçlar şaşırtıcıydı: Çift ağ yapılı yeni malzeme, tamamen kopmadan kendi orijinal boyutunun dört katından fazla esneyebiliyordu! Aynı malzemeden yapılmış geleneksel desenli bir metamalzeme ise neredeyse hiç esnemeden kolayca kırılıyordu. Araştırmacılara göre bu esneklik ve dayanıklılık, malzeme çekilmeye başladığında sert destek çubukları ile etrafına örülmüş yumuşak sarmal ağ arasındaki etkileşimden kaynaklanıyor. Sert yapı kırıldıkça, yumuşak ağ bu kırık parçalara dolanıyor, sürtünmeyi artırıyor ve enerjiyi dağıtarak malzemenin bir anda yırtılmasını engelliyor.
Stratejik ‘Kusurlar’ Malzemeyi Daha da Güçlendirdi
Daha da ilginç olanı, araştırmacılar malzemenin içine stratejik olarak küçük delikler (kusurlar) eklediklerinde, malzemenin daha da esnek hale geldiğini ve yırtılmaya karşı daha dirençli olduğunu gördüler. Çalışmanın yazarlarından Surjadi, “Normalde bunun malzemeyi zayıflatacağını düşünebilirsiniz. Ama kusurları eklediğimizde, esneme miktarını ikiye, dağıtılan enerji miktarını ise üçe katladığımızı gördük. Bu bize hem sert hem de tok (dayanıklı) bir malzeme veriyor ki bu genellikle bir çelişkidir,” diyor.
Yeni Malzeme Birçok Alanda Kullanılabilecek
MIT ekibi, bu çift ağ yapısının özelliklerini tahmin etmeye yarayan bir bilgisayar modeli de geliştirdi. Bu yeni yaklaşımın, yırtılmaya karşı dayanıklı kumaşlar, esnek yarı iletkenler, elektronik çip paketlemeleri ve doku onarımı için hücre büyütmede kullanılabilecek dayanıklı ama esnek iskeleler gibi birçok alanda kullanılabileceği düşünülüyor. Projeyi yürüten Profesör Carlos Portela, “Bu yaklaşımı daha kırılgan malzemelere (seramik, cam, metal gibi) de deneyerek onlara çok işlevlilik kazandırmak istiyoruz,” diyor. Hatta farklı özelliklere sahip iki ağı birleştirerek, örneğin sıcaklık değişimine göre tepki veren (sıcakta gözenekleri açılan, soğukta sertleşen) akıllı kumaşlar üretme potansiyeli bile bulunuyor.
MIT Bilim İnsanları Başardı: Hem Çok Sağlam Hem Çok Esnek Malzeme Üretildi! yazısı ilk önce BeeTekno yayınlanmıştır.