Bazı yumuşakca kabuklarının dekoratif obje yapmak için kullanılan incili iç tabakası olan sedef, biyolojik olarak ilham alınan önemli bir katmanlı madde olarak bilinir. Kırılgan kireç taşı ile yapılmış olmasına rağmen girift katmanlı mikro yapısı çatlakların yayılmasına direnmek için olağanüstü bir direnç gösterir. Bu ise malzeme özellikleri arasında tokluk olarak bilinmektedir.
Daha sert malzemeler tasarlamak isteyen mühendisler tarih boyunca, oldukça sert yapıya sahip olduğu düşünülen geyik boynuzları ve sedefler gibi doğada bulunan bu tür doğal tabakaları taklit etmeye çalışmışlardır. Ancak Amerika Birleşik Devlerinde yer alan Brown Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir çalışma gösteriyor ki her katmanlı yapı sert ve dayanıklı olmamaktadır.
Yayınlanan makalede, fiziksel özellikleri ile ünlü olan başka bir çok katmanlı mikro yapının test edildiği açıklandı. Bu katmanlı yapı “Euplectella Aspergillum” adı ile bilinen bir deniz süngeri çapa spikülleridir. Spiküller silis ya da kalkerden oluşan iskelet görünümlü iğne şeklindeki yapılar olarak bilinir. Spiküller süngerleri deniz tabanında tutan katmanlı yapının küçük filamentleridir. Araştırmacılar, spiküllerin katmanlı yapısının genellikle sedef ile karşılaştırıldığı ve spikül yapısının benzer şekilde tokluğu arttırdığı varsaydıklarını belirtmiştir. Ancak bu yeni çalışma ise aksini beyan etmektedir.
Her Katmanlı Madde Tokluk Göstermemekte
Brown üniversitesi doktora öğrencisi ve aynı zamanda çalışmanın parçası olan Max Monn, sedef ve spiküller arasında yapısal benzerliklere rağmen spiküllerin tokluğunu arttırmak açısından çok az direnç gösterdiğini fark ettiklerini belirtmiştir. Bu durum ise günümüze kadar gelen varsayımlarının tam aksine olduğunu göstermektedir.
Araştırmacılar Euplectella Spicules’i başka bir sünger türü olan Tethya Aurantia ile karşılaştırdılar. Benzer kimyasal yapıya sahip iki madde olarak bilinir ancak Tethya Aurantia katmanlı yapıya sahip değildir. Bu iki maddenin tokluklarını test etmek için spiküllerin içine küçük çentikler attılar ve ardından malzemeleri büktüler. Zorlama altında yayılan çentiklerin dirençlerini ölçerek iki maddenin tokluğu arasındaki farkı anlamaya çalıştılar. Katmanlı yapıya sahip Euplectalla ile katmansız olan Tethya arasında yapılan deney gösterdi ki iki madde arasında çok az fark var. Euplactella’nın çok fazla tokluk artışı göstermemesinin sebebi ise bilgisayara modelleme sistemleri kullanılarak derinlemesine incelendi.
Modellemeler silindirik spiküllerde bulunan tabakanın eğriliğinin katmanlı yapıların tokluk arttırmasını engellediğini gösterdi. Sedeflerde bulunan düz tabakalar, çatlakların bir tabakadan diğer tabakaya geçmesini engelliyor. Ancak Euplectella Spicules gibi kavisli tabakaya sahip spiküllerde ise çatlaklar bir tabakadan diğerine atlayarak geçebiliyor.
Araştırmacılar göre elde edilen bulguların, malzemeler arasında eğrilik ve tokluk hakkında daha önce bilinmeyen bazı bilgileri ortaya çıkardığını belirtmektedir. Bu ortaya çıkan bilgiler ise kompozit malzemeler gibi biyolojik ilham ile tasarlanan malzemeler için daha uygun tasarım imkanları sunacağı düşünülmektedir. Araştırmacılar özellikle bir malzemenin tokluğunu arttırmak için katmanlı bir yapıdan ilham alınacaksa, katmanların kavisli olmasını gerektiren alanlara dikkat edilmesi gerektiğinin altını çizdiler.
Katmanlı yapının spiküllerin bükülme mukavemetini büyük ölçüde arttırdığını ve tokluk açısından başarısız olmadan önce büyük bükülme eğriliklerine dayanmalarını sağladığını göstermiştir. Ancak eğilme mukavemeti ve tokluk çok farklı mekanik özelliklerdir ve katmanlamanın her zaman tokluğu arttırdığı fikrini ortadan kaldırmaya yardımcı olmak, genel olarak biyolojik ilham veren tasarımlar için faydalı olacağı düşünülmektedir. Araştırmacılar ayrıca tüm katmanlı yapıların tokluk göstermediği ve sert olmadıklarını ispatladıklarını belirtmektedirler.
Kaynak
https://www.nature.com/articles/s41467-019-14128-8
https://www.materialstoday.com/biomaterials/news/layered-biomaterials-not-always-so-tough/
Yorumlar