Kendi kendini iyileştiren malzemeler

Kaç kez bir şeyi kırdık ve keşke geri dönebilsek diye düşündük. Sadece birkaç saniye olsa bile. Kendi kendini onaran malzemelerde böyle bir şey olur. Bir delik, çatlak veya kırılma meydana gelir ve malzeme önceki durumuna döner. Aynı yara olması durumunda canlılara olan durum gibi. Çok ciddi değilse kendiliğinden kapanıyor.

Ancak kendi kendini iyileştiren materyaller bulmak veya yaratmak o kadar basit değil. Bazıları, Antik Roma’da zaten kendi kendini onaran niteliklere sahip bir tür inşaat harcı ile çalıştıklarını söylüyor. Ancak, içinde yaşadığımız 21. yüzyıla kadar, şaşırtıcı özelliklere sahip akıllı malzemeler hakkında bir keşif patlaması olmaz. Bu özelliklerden biri de aşınmış, kırılmış veya hasar görmüş bir malzemenin kendini tamir edebilme olasılığıdır.

İlginç bir şekilde, bu malzemelerin büyük çoğunluğu, zamana rağmen aşınma ve yıpranmanın üstesinden gelmeyi başaran kemikler, dış iskeletler, dokular ve bitki ve hayvanların diğer biyolojik unsurları gibi kendi kendini onaran malzemelerde uzman olan doğadan ilham almıştır. İnsanlık bunları gözlemlemiş ve son yıllarda aynı özelliklere sahip yeni malzemeler yaratmayı başarmıştır.

Kendi kendini iyileştiren malzemelerin kullanım ömrü

Kendi kendini iyileştiren malzemeler, bugün kullandığımız malzemelerden daha uzun süre dayanır. Aşınma, yırtılma, deformasyon… İster bir giysi, bir dış mekan binası veya sıvı veya katılar için depolama elemanları olsun, endüstrinin birçok alanında veya günlük olarak, zamana direnen malzemelere ihtiyaç vardır.

Bu bilim alanında araştırma yapanlar, bakım gerektirmeyen veya bakımı çok daha az olan kendi kendini iyileştiren malzemeler oluşturmak için farklı stratejiler elde etmişlerdir. Bir yandan, doğada veya biyomimikride gözlemlenenlerden materyaller yaratmak. Ancak en umut verici strateji polimerlerinkidir. Kimya günümüze uygulanır.

Örneğin, kırıldıklarında aktive olan ve bir kırılmayı veya aşınmayı kapatacak kadar malzeme üreten mikrokapsüllere sahip malzemeler oluşturulabilir. Bu, bakteriler tarafından veya lifler, selüloz, kristaller vb. gibi farklı bileşenlerle yapılabilir. Sonuç değişkendir. Kendi kendini onaran ve dolayısıyla daha dayanıklı malzemeler elde edebiliyoruz. Aynı zamanda, bu malzemelerin kullanım ömrünü kısaltan su veya diğer elementlerin neden olduğu sıcaklığa, burulmaya veya aşınmaya daha iyi direnç gösterirler.

Fotoğraf lisansı: European Commission

Hafızalı kendi kendini iyileştiren malzemeler

Rey Juan Carlos Üniversitesi ve CSIC, birkaç yıl önce 2018’de kendi kendini onaran polimerlerle ilgili araştırmalarını duyurdu. Çok iyi sonuçlar veren ve kimyanın plastik, kauçuk, elyaf veya boya şeklinde uygulanmasına dayanan bazı malzemeler. Özellikleri arasında hafızaya sahip olmaları da dikkat çekiyordu. Belirli koşullar altında deforme olmalarına rağmen orijinal şekillerine dönebilmeleri anlamında.

Bu koşullar sıcaktı. Yaklaşık 60ºC gibi nispeten yüksek bir sıcaklık uygulandıysa, bu kendi kendini iyileştiren polimer, kalıplandığı ilk şekle geri döndü. Bu, sıvılar veya katılar için şişeler ve depolama elemanları, giysiler veya orta vadede farklı endüstriler için araç bileşenleri veya parçalarının imalatı için faydalı olabilir. Ve sağlık gibi diğer alanlarda, daha az invaziv operasyonlarda uygulanabilecek uzun ömürlü damar greftleri oluşturabilmek anlamına gelebilir.

ilham kaynağı olarak doğa

Doğanın birçok kez insanın sorunlarına çözüm bulmasına hizmet ettiğini söyledik. Doğrudan veya ilham olarak. Kuş gözlemciliği olmasaydı havacılık ne olurdu? 2020 yazında Nature’da yayınlanan araştırma, diğer özelliklerin yanı sıra kendini tamir etme olasılığına sahip, biyolojik olarak parçalanabilen bir biyosentetik polimerden bahsediyor.

Bu çalışmadaki uygulaması, yumuşak makinelerin robotik elemanlarını ve bileşenlerini oluşturmaya odaklanmıştır. Belirli görevleri yerine getirmek için böcekler gibi hayvanları taklit edenlerdir. Diğer olası kullanımlar insan protezleri, solunum makineleri veya özel koruyucu giysiler olabilir. Kısacası aşınmaya, deformasyona ve sabit burulmaya karşı dayanıklı malzeme gerektiren kullanımlar. Ve söz konusu polimerin birkaç saniye içinde onarılmasıdır.

Laboratuarda oluşturulan polimer, mürekkep balıklarının içinde bulunan ve avlarını tutmak için kullandıkları dişlerden ilham alıyor. Bu dişler kırılınca kendilerini onarırlar. Bazı proteinleri ve deniz suyunun kendisini kullanarak. Tam olarak, çalışmanın bahsettiği polimer, onarımı için de su kullanıyor. Su ve ısı, ancak ışığı da kullanabilir.

Sonsuza kadar dayanan çimento

Çimento, özellikle inşaatlarda en çok kullanılan malzemelerden biridir. Bu malzeme sayesinde zamanın tahribatına ve doğanın acımasızlığına direnen büyük binalar inşa edebiliyoruz. Ama aynı zamanda yıpranıyor. Kullanım ömrü çok uzundur. Ancak her gün üzerinde yürüdüğümüz bir yapının bütünlüğü konusunda endişelenmemek için her zaman daha da ileri gitmek mümkündür. Ve üretimi sırasında karbon emisyonlarının oluşmasını önlemek için. Dünya çapındaki toplam emisyonların %8’i. İşte burada kendi kendini onaran malzemelerle ilgili araştırmalar devreye giriyor. Spesifik olarak, biyoçimento veya kendi kendini onaran çimento olarak adlandırılan şey.

2014 yılında Hollandalı araştırmacı Henk Jonkers biocement projesini duyurdu. Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’ndeki bu mikrobiyolog, kırılmaz bir yorum tasarlamıştı. Daha doğrusu kırıklar olsa tamir edilebilirdi. İnsan müdahalesi olmadan. Bunun yerine onarım, çimentoya gömülü bakteriler tarafından yapılır. Daha doğrusu kapsüllenmiş. Ve beslenen kalsiyum laktat.

Çimentoda bir kırılma veya hasar meydana geldiğinde, suyun bakteri içeren kapsüllerle teması onların kırılmasına ve kırılmayı kapatacak olan bu mikroskobik tamircileri serbest bırakmasına neden olur.

İnşaatın sürdürülebilir geleceği

Daha yakın zamanlarda, İtalya’daki Milano Politeknik Üniversitesi’nden Profesör Liberato Ferrara, UHDC, ultra high durability concrete, yani ultra yüksek dayanıklılık çimentosu geliştirildiğini duyurdu. Projenin adı ReSHEALience olup, söz konusu çimento olabilecek en zorlu koşullara dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Buna deniz ortamları veya jeotermal enerji santralleri dahildir.

Bu özel projede, ek bileşenler kullanılarak çimentonun dayanıklılığı arttırılmıştır. Kristal katkı maddeleri, alümina nanofiberler ve selüloz nanokristaller olarak. Sonuç, malzemenin hasarlı kısımlarıyla temas eden su ile reaksiyona girerek kendini onaran bir çimentodur. Ve yaratıcılarına göre 50 yılı aşkın süre boyunca herhangi bir bakım gerektirmez. Bu, bu malzeme ile inşa edilen yapıların kullanım ömrünü arttırır ve çimento üretimini ve bunun sonucunda ortaya çıkan çevresel ayak izini azaltır.