Kendi Kendini Temizleyen Biyolojik Yüzeyler

Sunuş: Toz, kir içermeyen ve kendi kendini temizleyebilen yüzeyleri elde edebilmek insanoğlunun en büyük hayallerinden birisidir. Kendini temizleyen yüzeyler ekonomik, estetik ve çevreci olmalarından dolayı bu konu üzerine son yıllarda önemli araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde gelişmiş ülkelerde kendini temizleyebilen camlar, binalar ve elbiselerde konusunda ciddi gelişmeler yaşanmaktadır. Böylesi bir hayalin gerçekleşmesi insanoğluna yüksek miktarda zaman, emek ve para tasarrufu yapmasına vesile olacaktır.

Ana Metin: Kendini temizleyen yüzeyler konusu ilk olarak Asya’da temizlik ve saflığın sembolü olan lotus çiçeğinin (Nelumbo nucifera) fizikokimyasal özelliklerinin bilim adamlarının ilgisini çekmesiyle başlamıştır. Daha sonra araştırmalar sonucu lotus yaprağı ile benzer yüzey özellikleri gösteren bitki yaprakları ve böcek kanatları doğada bulunmuştur [1]. Aşağıda kendini temizleyen biyolojik yüzeylere doğadan seçilmiş örnekler verilmektedir;

1-) Lotus yaprağı

Lotus çiçeğinin kökleri çamur içerisinde bulunmasına rağmen yaprakları her zaman temiz bulunmaktadır. Bunun sebebi ise yapraklar üzerine düşen su damlacıkları yüzey geriliminden dolayı büyük damlalar haline gelip yüzey üzerindeki kirleri toplayıp kayarak gitmektedir. Bu özellik kendini temizleme ya da lotus efekti olarak bilinmektedir (Şekil 1) [2].

Şekil 1. Lotus yaprağı üzerinde su damlacıkları.

Lotus yapraklarının kendini temizleme özelliği 2000 yıldır bilinmekte olmasına rağmen kendini temizleme mekanizması bilim adamları tarafından ancak 1970’li yıllarda lotus yaprağının mikro/nano yapısının taramalı elektron mikroskobu ile incelenmesi ile bulunmuştur. Araştırmalar lotus yaprağı yüzeyinin 5-9 μm çapında düzensizce yerleşmiş papillalardan oluştuğunu göstermektedir. Her papilla üzerinde ise yaklaşık 120 nm çapında nanoyapılar olduğu gözlemlenmiştir (Şekil 2).

Şekil 2. Lotus yaprağının mikro/nano yapısı.

Bunun yanında lotus yaprağının kimyasal yapısının parafine benzer bir yapıda olduğu bilinmektedir. Mikro/nano hiyerarşik yapı ve parafine benzer kimyasal yapının bir araya gelmesi lotus yapraklarının temas açısının yaklaşık 164^o olmasını dolayısıyla süperhidrofobik bir yüzeye sahip olmasını sağlamaktadır. Bundan dolayıdır ki, yüzeydeki su damlacıkları küresel şekilde olup herhangi bir yöne doğru serbestçe kayabilmekte ve kirleri temizleyebilmektedir (Şekil 3) [3].

Şekil 3. Lotus yaprağının kendini temizleme özelliği.

2-) Pirinç yaprağı

Lotus yaprağından farklı olarak pirinç yaprakları tek yönde kendini temizleme özelliği göstermektedir. Şekil 4’de görüleceği üzere pirinç yaprağı yüzeyinde de mikro ve nanoyapılar birlikte bulunmaktadır. 5-8 μm çapında papillalar yaprağın uzun eksenine paralel olarak organize olmuşlardır.

Şekil 4. (A) Pirinç yaprağının üstünde su damlacıkları, (B) pirinç yaprağının mikro/nano yapısı.

Bahsedilen hiyeraşik yapı pririnç yaprağının temas açısının yaklaşık 153^o olmasını sağlamaktadır. Papillaların yaprağın uzun ekseninde dizinlenmesinden dolayı su damlacıkları yaprak boyunca çok kolay kayabilmekte ve kirleri temizleyebilmektedir. Tek yönlü olmasından dolayı kendini temizleme efektinin lotus yapraklarına kıyasla daha etkin olduğu belirlenmiştir [4].

3-) Ağustos böceğinin kanadı

Bitki yapraklarının yanında böceklerin dış yüzeyleri de birçok özellik ve fonksiyonellik taşımaktadır. Bazı böceklerin kanatlarının yüzeyleri de kendini temizleme özelliği göstermektedir. Ağustos böceğinin kanadı hekzagonal yapıda dizilmiş nano sütun yapılardan oluşmaktadır. Sütunların boyları yaklaşık 250 nm civarında olup üzerleri muma benzer yağımsı bir maddeyle kaplanmıştır. Bundan dolayı da ağustos böceğinin kanadı süperhidrofobik yüzey (temas açısı 160^o) özelliği göstermektedir. Lotus yaprağına benzer şekilde ağustos böceği kanadı üzerine düşen su damlacıkları ile kendini temizlemektedir. Bunun yanında, kanat hareketleri ve esen rüzgar kendini temizleme efektini arttırmaktadır [5].

Şekil 5. Ağustos böceğinin kanadının mikro/nano yapısı.

4-) Kelebek kanadı

Görkemli renkler içermesi, kimyasalları algılama kapasitesi ve florasan yayması gibi özelliklerinden dolayı kelebeklerin kanatları da bilim adamları tarafından çok ilgi çekmektedir. Diğer taraftan, kelebek kanadı da süperhidrfobik bir yüzeye (temas açısı 152^o) sahip olduğundan dolayı kendini temizleme özelliği göstermektedir. Kelebek kanadı da pirinç yapraklarına benzer şekilde tek yönlü kendini temizleme özelliği göstermektedir. Bu özellikte yukarıda ki örneklerde bahsedildiği gibi yüzeydeki mikro yapıdan kaynaklanmaktadır [6].

Şekil 6. Kelebek kanadının mikro/nano yapısı.

Potansiyel uygulama alanları

Kendini temizleyen yüzeyler bir çok avantaja sahip olduğundan ve insanoğlunun işlerini kolaylaştırdığından dolayı enerji, tekstil ve elektronik gibi bir çok farklı disiplinde uygulama alanı bulabilmektedir.

Günümüzde birçok insan günlük yaşantısı içinde kendi kendini temizleyen tekstil ürünleri kullanmak ister. Çünkü giydiğiniz ayakkabıdan pantolona yada eteğe kadar kirlenmeyeceğini bilmeden hareket etme özgürlüğüne sahip olunabilecektir. Kullanılacak süperhidrofobik yüzeyler sayesinde kirlenen yere çok az bir su dökülmesi sonucunda kullandığınız ürün ıslanmadan ürünün temizlenmesi mümkün olacaktır.

Güneş panelleri genelde çöl gibi çok toz olan ortamlara kurulmasından dolayı yüzeyleri çok kısa zamanda kirlenmektedir. Bu ise, zaten aşırı ısı nedeniyle verimi düşen güneş hücrelerinin, kapasitelerinin çok altında çalışmalarına neden olmaktadır. Bunun önüne geçilmesi için yüzeylerin temizlenmesi gerekmektedir. Yüzeyler fırçalar ile temizlenebilir ama bu hem iş gücü kaybı açısından hem de güneş hücrelerinin yüzeylerinin deforme olması ile güneşten gelen ışığın emilmesi noktasında problemlere neden olacaktır. Yüzeye zarar vermeden ve temizleme maliyetlerini en aza indirerek, güneş hücrelerinin ömrünü kısaltmadan temizlik işlemini yapabilmenin en kolay yolu ise güneş hücrelerinin yüzeylerinin süperhidrofobik yüzeylere dönüştürülmesi ile mümkün olacaktır.

Anahtar Kavramlar

Süperhidrofobik yüzey: Hidrofobi Latince kökenli bir kelime olup suyu sevmeyen, sudan kaçınan manasına gelmektedir. Fizikokimya biliminde ise hidrofobik yüzey su ile ıslanmayan veya suyu iten yüzey olarak bilinmektedir. Süperhidrofobik yüzey ise çok fazla hidrofobik olan veya su ile ıslatmanın çok zor olduğu yüzeyler için kullanılan tanımdır. Hidrofobik bir yüzeyin üzerinde bulunan suyun temas açısı yüksek olur. Bu nedenle ıslanabilirlik’leri çok az veya hiç yoktur.

Kaynaklar

1. Bhushan, B.; Jung, Y. C. “Natural and biomimetic artificial surfaces for superhydrophobicity, self-cleaning, low adhesion, and drag reduction” Progress in Materials Science, Cilt: 56, s. 1-108, 2011.
2. Liu, K.; Jiang, L. “Bio-Inspired Self-Cleaning Surfaces” Annual Review of Materials Research, Cilt: 42, s. 231-263, 2012
3. Nishimoto, S.; Bhushan, B. “Bioinspired self-cleaning surfaces with superhydrophobicity, superoleophobicity, and superhydrophilicity” RSC Advances, Cilt: 3, s. 671-690, 2013.
4. Guo, Z.; Liu W. “Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure” Plant Science, Cilt: 172, s. 1103–1112, 2007.
5. Lee, W.; Jin, M. K.; Yoo, W. C.; Lee, J. K. “Nanostructuring of a polymeric substrate with welldefined nanometer-scale topography and tailored surface wettability” Langmuir, Cilt: 20, s. 7665–7669, 2004.
6. Zheng, Y.; Gao, X.; Jiang, L. “Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings” Soft Matter, Cilt: 3, s. 178–182, 2007.

 

Yazar : Dr. Fevzihan BAŞARIR

Üniversite : Orta Doğu Teknik Üniversitesi

Bölüm : Kimya Mühendisi

Dergi : Sayı 16– Sayfa 13