Midyelerden Öğrendik: Daha Güçlü, Daha Gergin Polimer Yapmak İçin Yeni Bir Yol
Lastik kauçuk ve ıslak kesim neopreninden likra giyim ve silikonuna kadar geniş bir yelpazede polimer esaslı malzemeler; esneklik özelliklerine sahip oldukları için kırılmadan orijinal haline dönen elastomerlerdir.
Bu tür malzemeleri daha güçlü yapmak genellikle onları daha kırılgan hale getirmek demektir. Bunun nedeni, yapısal olarak elastomerlerin birkaç kimyasal bağlarla bir araya getirilmiş ve şekillendirilmemiş polimer zincir ağları olmasıdır. Bir polimerin güçlendirilmesi için; daha fazla bağ oluşturarak çapraz bağların yoğunluğunu artırmak gerektirir. Bu durum, elastomerin bağlarını; birbirinden uzaklaşmaya direnecek ve materyali daha düzenli bir yapıya dönüştürecek, aynı zamanda daha sert hale getirecektir.
UCL Santa Barbara’nın Malzeme Araştırma Laboratuvarına bağlı bir araştırma ekibi, deniz midyelerinin kendilerini korumak için kullandıkları sert ve esnek polimerik bissal ipliklerinden esinlenerek; doğal ticaretten ödün vermenin üstesinden gelmek için elastomerik polimerlerde mukavemet ve esneklik arasında bir yöntem geliştirdi.
UCSB Makine Mühendisliği Bölümü’nden doçent yazar Megan Valentine; ‘Geçtiğimiz on yılda biyolojik materyallerin yükleme sırasında mukavemetin nasıl koruduğunu anlamak için muazzam gelişmeler yaptık. Bu yazıda, yararlı materyalleri geliştirmek için bu anlayışı kullanma kabiliyetimizi kanıtlıyoruz. Bu çalışma, pek çok ticari ve endüstriyel uygulama için heyecan verici keşif yolları açıyor. ‘
Midyenin kütikül kimyasından da esinlenmiş önceki çalışmalar, hidrojeller gibi ıslak, yumuşak sistemlerle sınırlıdır. Bunun aksine, UCSB araştırmacıları midye kaynaklı demir koordinasyon bağlarını kuru polimerik bir sisteme dahil etti. Bu önemlidir, çünkü özellikle darbe ve torsiyon ile ilgili uygulamalarda sert fakat kırılgan malzemeler için değiştirilebilir.
UCSB’ de bulunan araştırmacı Emmanouela Filippidi ağın 25 kat daha az sert olduğunu ve aynı şekilde kurutulmuş bir ağa kıyasla beş kat daha kısa uzama gösterdiğini dile getirdi. Bu ilginç bir sonuç, fakat beklenen bir sonuç. Gerçekten çarpıcı olan şey, kuru ağı demir eklemeden önce ve sonra karşılaştırdığında yaşananlar. Sadece esnekliğini korumakla kalmayıp, aynı zamanda yeniden yapılandırılabilir demir-katekol bağları varlığında 800 kat daha katı ve 100 kat daha sert oldu.
Midye midesi kütikülüne benzer yapı ve performansa sahip ağları elde etmek için ekip, amorf, gevşek şekilde çapraz bağlanmış bir epoksi ağını sentezledi ve daha sonra dinamik demir-katezol çapraz bağlantıları oluşturmak için demirle muamele etti. Demirin olmaması, kovalent çapraz bağlardan birinin kırılması durumunda sonsuza kadar kırılır, çünkü kendisini iyileştirme mekanizması yoktur. Ancak, tersinir demir katekol eşgüdüm bağları mevcut olduğunda, bu demir içeren kırık çapraz bağlardan herhangi biri mutlaka aynı yerde bulunabilir, böylece mukavemet arttıkça malzemenin dayanıklılığını korur.
Demir-katekol ağı gerilirken enerjiyi depolamaz, bu yüzden gerilme serbest bırakıldığında malzeme lastik bir bant gibi geri dönmez aksine enerjiyi dağıtır. Daha sonrasında, malzeme viskoelastik bir malzemenin yaptığı gibi yavaş yavaş orijinal şeklini yeniden kazanır. Bu özelliklere sahip malzemeler ‘enerjisi tükenen malzemeler’ adı verilen kaplamalar için yararlıdır.
Araştırmacıların kullandığı kuru sistem iki nedenden önemlidir. Islak sistemde şebeke suyu emer, böylece polimer zincirleri gerilir ve bu nedenle fazla esneklik kalmaz. Ancak kuru bir malzeme ile amorf spagetti benzeri lifler başlangıçta çok kompakttır ve gerilerek uzanacak birçok alan vardır. Polimerin güçlendirilmesi için demir çapraz bağlar eklendiğinde bu ağlar kopabilir, böylece polimer zincirleri yerine kilitlenmez ve kuru maddenin gerginliği tehlikeye atılmaz. Buna ek olarak, suyun şebekeden çıkarılması katekolün ve demirin birbirine daha yakın olmasına ve mekanik özellikleri iyileştiren yüksek bağlanabilirlik bölgelerini oluşturabilmesine neden olur.
Islak ve kuru sistemler arasındaki bu fark çok büyük ve yüksek etkili uygulamalar için kullanışlı mühendislik malzemeleri sentezleme açısından yaklaşımı oyun değiştirici yapıyor.
Kaynak : sciencedaily.com
