DOĞANIN NANOTEKNOLOJİSİ (Nature’s Nanotechnology) / Bharat Bhushan

0
152 views

Mühendisler Doğanın en hayranlık uyandırıcı maddelerinin sırlarını açığa çıkardıkça, davranışları radikal farklılıklar içeren yüzeylerin şaşırtıcı benzerliklere sahip olduklarını saptamışlardır.

Ofiste çalışmış olan hemen herkesin geçici yapıştırıcılarla bir deneyimi olmuştur. Yaygın kullanımlı Post-it not kâğıtları bir yüzeye tutturulduklarında yapışan, küçük akrilik tabakalardan oluşan bir arka yüzeye sahiptir; bu özellik onlara iki parça kâğıdı birbirine tutturmaya yetecek gücü sağlamakta, ancak kâğıtları birbirlerinden ayırdığımızda onları yırtmaya yetecek gücü verememektedir. Yapışkanın hafif dokunuşu, yeniden ve tekrar tekrar kullanımına olanak tanımaktadır. Post-it’ler 1980’lerde ilk kez piyasaya sürüldüklerinde, sihir gibi algılanmışlardı. Ancak, doğa aslında yeniden kullanılabilir yapışkan sorununu milyonlarca yıl öncesinde çözmüştü. Geko türünün de dahil olduğu bazı kertenkeleler ayak parmaklarının altında yapışkan bir dokuya sahiptirler ve bu doku onların düz duvara tırmanmalarına olanak tanımaktadır.

Araştırmacılar, geko ayağındaki yapışkanın – ve diğer ilginç yapıya sahip biyolojik yüzeylerin – nasıl işlev gördüğünü ancak son yirmi beş yıl içerisinde anlamaya başlamışlardır. Bunun nedeni bu özelliklerin nanoölçekte yapılandırılmış olmalarıdır ve bu ölçekteki yapıların karakterize edilebilmesi ancak 1990’ların başından sonra mümkün olmuştur. Bilim insanları ve mühendisler doğal yüzeylerin sunduğu özelliklerden ilham alarak bunları mühendisliğe kopya etme çabasına girmişlerdir. Biyolojiden ilham alan bu tasarım şekline “biyomimetik” adı verilmektedir. Biyomimetik alanı çok disiplinli bir alandır.Bu alan, biyolojik fonksiyonları, yapıları ve biyologlar, fizikçiler ve malzeme bilimcileri tarafından doğada bulunmuş olan çeşitli objelerin prensiplerini anlamak üzerine temellendirilmiştir ve biyoesinlenmeden (bioinspiration) hareketle, ticari amaçlı pek çok malzemenin tasarım ve üretimine dayanak oluşturmaktadır. Bugün biyomimetik malzemeler, laboratuvarlardan çıkıp endüstriyel uygulamalar arasında yerlerini almaktadırlar. Doğal yüzeylerin özelliklerini ve onları yapay olarak kopya etmenin yollarını anlama konusunda daha gelişmiş bir aşamaya ulaştığımızda, bu malzemelerden daha pek çoğu – belki de sihirli özelliklere sahip olarak – piyasadaki yerlerini alacaktır. Biyolojik evrim yoluyla Doğa, 3,8 milyar yıllık bir araştırma ve geliştirme programı yürütmüştür ve biz bugün onun keşiflerinden ticari yarar elde etmeye hazırlanmaktayız.

Ben, kendi laboratuvarımda üzerinde çalıştığımız, çok iyi bilinen ancak görünüşte alakasız olan iki yüzeyden bahsetmek istiyorum: Lotus bitkisinin suyu akıtmaya elverişli yaprakları ve duvara tutunmayı sağlayan geko

Mühendis ve Makina / SAYI: 643 – Doğanın Nanoteknolojisi
ayakları. Bu yüzeyleri kopya etmenin yolunu bulmaya çalışırken bu iki yüzeyin aslında derin fiziksel bağları olduğunu keşfettik.

Lotus yaprağı uzun zamandır bir paradoks kaynağı olmuştur: Yüzeyi pürüzlüdür ancak en çamurlu suların içinde yetişse bile yaprak temiz kalmaktadır. Aslında bu etki öylesine belirgindir ki Budizm’de Lotus saflığın simgesidir. Bu bitkinin gizemi ancak 1990’ların sonuna doğru bilim yoluyla çözülebilmiştir. Almanya’nın Bonn Üniversitesi’nden Wilhelm Barthlott ve Christoph Neinhuis, tarayıcı elektron mikroskop kullanarak yaprakların oldukça yüksek çözünürlüğe sahip görüntülerini incelemeye başlamışlardır. İncelemelerinin sonucunda lotus yapraklarının sadece makro ölçekte değil aynı zamanda mikro ve nanoölçekte pürüzlü bir yapıya sahip olduklarını keşfetmişlerdir. Yaprağın yüzeyi su damlacıklarını geri püskürten miniskül mumsu borularla kaplıdır. Su damlacıkları süreğen düz bir zemin üzerinde yer almak yerine bu boruların üzerinde tutulduklarından, yaprağı ıslatmak yerine kayarak üzerinden düşmektedirler. Yuvarlanan su damlaları kir partiküllerini taşımakta, böylece yaprakları temiz kılmaktadır.

Lotus etkisi olarak bilinen bu etki, suyu akıtan yüzeyler üretmenin bir yolunu göstermektedir: Yüzey pürüzlülüğünü artırmak. Yüksek derecede hidrofobik özellikler gösteren yüzeyler üzerinde yapılan araştırmalar, bu yüzeylerin suyu akıtmasında rol oynayan çeşitli faktörleri belirlemişlerdir. Yüzey hem mikro hem de nanoölçekte pürüzlü olmalıdır ve genel olarak tümsekli bir yapıya sahip olmalıdır.

Yüzeydeki borular veya iğneler, göreceli  olarak, kılcal dalgalara karşı koymaya yetecek yükseklikte olmalı, bu iğneler üzerindeki nanotümsekler, veya pürüzler, su damlalarının, iğneler arasındaki vadicikleri suyla doldurmasını önlemelidirler.

Ohio Eyalet Üniversitesi’ndeki laboratuvarımda bu etkiyi yapay olarak kopya etmeye çalıştık. Yaklaşımlardan biri, karbon nanoborularının (CNT) bir  kompozitini kullanmaktı; bu boruların özelliği lotus yaprağının üzerindeki pürüzler gibi uzun ve dar olmalarıydı. CNT kompozitleri, nanoölçek ve hiyerarşik yapılar oluşturmak amacıyla düz bir epoksi reçinesi ve bir bikroyapı üzerine süskürtüldü. Lisansüstü öğrencisi Yong Chae Jung ile beraber, hem CNT ile oluşturulan nanoölçeğin hem de hiyerarşik yapıların üstün hidrofobisite ve kendini temizleme özelliği gösterdiğini saptadık. Bu açıdan, lotus yaprağı davranışını gösterdiler. Bu yüzeyler aynı zamanda oldukça dayanıklıdırlar. Ucuna borosilikat topu yerleştirilmiş atomsal kuvvet mikroskopuyla (AFM) bu CNT nanoyapılarını bastırarak, bir dizi aşınma testi gerçekleştirdik. AFM ucu 100 nM kuvvetle yüzeyi tırmıklamıştır; bunun üzerine aşınma izlerini kontrol ettik ve hiçbir aşınma olmadığını gördük. Kuvveti 100 faktör artırarak 10 mikronewton yaptık ve testi tekrarladık. Yine herhangi bir aşınma izi bulamadık ancak tabii ki borosilikat topunun kuvvetine bağlı olarak CNT’lerin bir parça eğildiğini ve kaydığını gözlemledik, tıpkı diş fırçası kıllarının dişin baskısı sonucunda deforme olmaları gibi.

Görünen o ki, doğal yüzey pürüzlülüğü yerine, karbon nanotüpler kullanılarak, yapay bir lotus etkisi yaratılabilmektedir. Bu insan yapımı yüzeyler, kendini temizleme ve hidrofobisite özelliğine ihtiyaç duyulan endüstriyel uygulamalarda kaplama olarak kullanılabilecek dayanıklılığa sahiptir.

 

 

Ekli Dosyalar