Doğa, Dayanıklı ve Aynı Zamanda Esnek Kompozit Polimerler İçin Bize İlham Verir!
Fotoğraf : Yeni kompozit polimerden yapılmış yalnızca 3 mm genişliğindeki bu tüp, yapısal bütünlüğünde herhangi bir zarar olmadan 10 kg’a kadar gerilme ve 80 kg’a kadar sıkıştırma yüküne dayanabilir. Fotoğraf: EPFL.
Deri, kıkırdak ve tendonlar gibi doğal malzemeler (canlıların dokuları) vücut ağırlığımızı ve hareketlerimizi destekleyecek kadar dayanıklı ve kolayca çatlamayacak kadar da esnektir. Bu özellikleri hafife alırız ancak bu benzersiz kombinasyonu sentetik (yapay) malzemelerde kopyalamak göründüğünden çok daha zordur.
İsviçre’deki Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne’daki (EPFL) bilim insanları, canlı dokuların özelliklerini daha yakından taklit eden güçlü ve aynı zamanda esnek kompozit polimerler yapmak için yeni bir yol geliştirdiler. Advanced Functional Materials dergisindeki bir makalede bildirilen buluşları, yumuşak robotik implantları ve kıkırdak protez implantları gibi alanlarda uygulamalara sahip olabilir.
Normalde, sentetik hidrojeller birbirinden çok farklı iki grup ile kategorize edilebilir.Birinci grup pencere camı ve bazı polimerleri içeren sert ve yük taşıyıcı özelliklerine sahip, ancak enerji adsorplamadaki yetersizliği ile dezavantajlı olan gruptur: en ufak bir çatlak bile yapı boyunca yayılabilir. İkinci gruptaki malzemeler ise çatlamaya karşı daha dayanıklı olmasına karşı son derece yumuşak olma dezavantajına sahiptir- o kadar yumuşak ki, ağır yüklere dirençleri yoktur.
Bununla birlikte, biyolojik materyallerin ve kolajen gibi proteinlerin bir kombinasyonundan yapılan bazı doğal polimer kompozitler hem güçlü hem de çatlamaya dayanıklıdır. Bu özelliklerini, nano ölçekten milimetre ölçeklerine kadar son derece kusursuz yapılarına borçludurlar.
EPFL’nin Yumuşak Malzemeler Laboratuvarı’nda yardımcı doçent ve makalenin baş yazarı Esther Amstad, “Sentetik malzemelerin yapısına pek çok farklı ölçekte hakim olmaktan hâlâ çok uzaktayız” diyor. Yine de Amstad’ın rehberliğinde çalışan iki doktora asistanı olan Matteo Hirsch ve Alvaro Charlet, doğal dünyadan(yaratılışımızdan) ipuçlarını alarak(biyomimikri) sentetik kompozitler oluşturmak için yeni bir yaklaşım geliştirmeyi başardılar.
Amstad, “Doğada, temel yapı taşları kapsüllenen bölmelerden oluşur ve bu kapsüller daha sonra lokalize bir şekilde yayılım gösterir,” diye açıklıyor. “Bu proses, yapının son hali ve birleşimi üzerinde büyük bir kontrol sağlar.Biz de benzer bir yaklaşım ile bölmelerin içine yapıtaşlarını yerleştirdikten sonra birleştirerek bir üst yapı haline getiriyoruz.
İlk olarak, bilim insanları bölmeler olarak işlev gören monomerleri bir su ve yağ emülsiyonunun damlacıkları halinde kapsüllediler. Monomerler ,damlacıkların içinde bir polimer ağı oluşturmak için birbirine bağlanır. Bu noktada, mikropartiküller kararlıdır, ancak aralarındaki etkileşimler zayıftır,bu mikropartiküllerin birbirine tutunma konusunda iyi olmadığı anlamına gelir.
Daha sonra, süngerler gibi oldukça gözenekli olan mikropartiküller, bir tür macun oluşturacak şekilde indirgenmeden önce başka bir monomer türüne batırıldı. Charlet’in dediği gibi görünüşü biraz, “kumdan kaleye dönüşebilen ıslak kuma benziyor”.
Bilim insanları daha sonra bu macunu 3D olarak yazdırdı ve UV radyasyonuna maruz bıraktı. Bu işlem, ikinci aşamada eklenen monomerlerin polimerleşmesini sağladı. Oluşan yeni polimerler, daha önce oluşturulmuş monomerlerle iç içe geçerek macunu sertleştirdi ve son derece güçlü, dayanıklı bir malzeme üretti. Araştırma ekibi, bu malzemeden yapılmış sadece 3 mm’lik bir tüpün, yapısal bütünlüğünde herhangi bir zarar olmadan 10 kg’a kadar çekme yüküne ve 80 kg’a kadar sıkıştırma yüküne dayanabileceğini gösterdi.
Keşifleri, canlı dokuların özelliklerini taklit eden bu kompozit polimerler yumuşak robotik sektöründe çok talep edilir ve potansiyel kullanımlara sahiptir.Çığır açan bu proses, kıkırdak protez implantları için biyo-uyumlu malzemeler geliştirmek için de uygulanabilir.
Kaynak: materialstoday.com
