Kendini Onaran Malzemeler

Uygarlık geliştikçe insanlığın ihtiyaç duyduğu malzemeler her zaman daha güçlü, daha dayanıklı malzemeler olmuştur. Bu yüzden metaller, polimerler ve alaşımlar gibi çeşitli malzemeler tam anlamıyla bilim insanlarının merceği altına girdi diyebiliriz. Bu kapsamda geliştirilen yeni malzemeler arasında uzun süreli dayanıklılığı sayesinde öne çıkmayı başaran bir malzeme grubu var. Bunlar, tıpkı canlıların hasar gördüklerinde yaralarının kendi kendini onararak kapanması gibi kendini yenileyen malzemelerdir. Bu malzemelerin gelişen teknolojiyle birlikte hayatımıza daha fazla entegre olacağı günler uzakta değil. Araba gövdelerindeki çatlakların, hasar görmüş binalar ve köprülerin kendi kendini onararak yapısal bütünlüğünü geri kazandığı sistemler hayatımızı büyük ölçüde kolaylaştırırdı. Gelin bu harika malzemenin onarım mekanizmasını yakından inceleyelim.

Kendi kendini onaran malzemelerin mekanizmasını anlayabilmek için önce hiçbir malzemenin sonsuz dayanıklığa sahip olmadığını, neredeyse bütün malzemelerin yapısının doğal ya da yapay bozulmaya karşı hassas olduğunu bilmemiz gerekiyor. Çevresel koşulların etkisiyle ve uzun süreli bozulma sonucunda malzemede mikro çatlaklar meydana geliyor. Kendini onarma işlemi birkaç farklı mekanizma ile gerçekleşebiliyor. Polimerler, kaplamalar, metaller ve seramikler gibi çeşitli malzeme türlerinin her birinin kendine has onarım mekanizmaları vardır. Üzerinde en çok araştırma yapılan grup yapılarının tasarım özgürlüğünden dolayı polimer malzemelerdir. Polimer malzemelerin onarım mekanizması “harici” ve “dahili” olmak üzere ikiye ayrılabilir.

Harici mekanizmada malzemelerin onarım süreci dışarıdan müdahale ile yerleştirilen onarım ajanları sayesinde gerçekleşir. Malzemede çatlak başladığında, mikrokapsül ya da mikrovasküler yapıdaki ajanlar serbest kalarak hasarlı alanı kapatır ve çatlağın ilerlemesi önlenmiş olur. Kullanılan onarım ajanlarının akışkan, kararlı, hızlı reaksiyona giren ve mekanik özellikler bakımından içine yerleştirilen malzemeyle benzer özellikler gösteren yapıda olması beklenir.

Mikrokapsül Kullanımı

Bu yöntem onarım ajanlarını içeren mikrokapsüllerin malzemenin içerisine yerleştirilmesiyle sağlanır. Kendi kendini onaran malzemeler ilk olarak 2001 yılında Prof. Scott White ve meslektaşları tarafından mikrokapsül kullanımı sayesinde pratiğe geçirilmiştir. Mekanizma temel olarak üç aşamadan oluşmaktadır.

• Birinci aşama, çatlak oluşumu nedeniyle mikrokapsülün yırtılma aşamasıdır.
• İkinci aşama, mikrokapsüldeki onarım ajanlarının çatlaktaki boşluğu doldurma ve onarıcı ajanları serbest bırakma aşamasıdır.
• Son aşama, yapıdaki katalizörün bir önceki aşamada serbest bırakılan onarım ajanlarıyla reaksiyona girerek polimerizasyon etkisiyle çatlak yüzeyinin onarılmasıdır.

Mikrovasküler Yöntem

Mikrokapsül yönteminde kapsüllerin parçalanması sebebiyle onarım etkilerinin tek seferlik olması dezavantaj olarak karşımıza çıkar. Bunun üstesinden gelmek için birçok canlının vasküler sisteminden esinlenilerek daha iyi onarma verimi için mikrovasküler yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem, onarım ajanlarının polimerik sistemin içine dağıtılması için merkezi bir mikrovasküler ağ kullanılması mekanizmasına dayanır. Onarım ajanı bu ağdaki kanallar aracılığıyla çatlak boyunca taşınır.

Yazımızda buraya kadar harici onarım mekanizması türlerinden bahsettik. Dahili onarım mekanizması ise onarım ajanına ihtiyaç duymayan bir mekanizmadır. Polimerin yapısındaki fonksiyonel gruplar arasındaki tersinir bağlar ile ilişkilidir. Belli bir etki altında (genellikle ısı vermek) malzemelerdeki hasarın ve çatlakların kapanmasını sağlayan bu tersinir bağlar onarımı sağlar. Bu yöntem, diğer onarım mekanizmalarına kıyasla daha az karmaşık ve düşük maliyetlidir.

Kaynakça

1. Yeşil, B.N., Ünügül, T., Karağaaç, B. (2022). Kendi Kendini Onarma (self-healing) ve Kauçuk Uygulamaları- Kauçuk Derneği 80.Sayı, 74-80.
2. Mashkoor, F.; Lee, S.J.; Yi, H.; Noh, S.M.; Jeong, C. Self-Healing Materials for Electronics Applications. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 622. https://doi.org/10.3390/ ijms23020622
3. Ghosh, S.K. (2009). Self-healing Materials Fundamentals, Design Strategies, and Applications. Wiley-VCH.