Bu ‘Akıllı’ Kağıt Elektriği İletebiliyor ve Suyu Algılayabiliyor!
(Washington Üniversitesi’nde üretilen bu “akıllı” kağıt, elektriği iletebilir ve bulunduğu ortamla ilgili bilgileri bir alıcıya kablosuz olarak iletebilir.)
Şehirlerde ve büyük ölçekli üretim tesislerinde, karmaşık boru ağlarındaki su sızıntısının algılanması, çok büyük bir zaman ve çaba gerektirebilir. Çünkü teknisyenlerin, sorunun nerden kaynaklandığını bulmak için birçok parçayı sökmesi gerekir. Amerikan Su İşleri Derneği, her yıl ABD’de yaklaşık çeyrek milyon su hattında kırılma meydana geldiğini ve bu kırılmanın kamu su tesislerine yılda yaklaşık 2,8 milyar dolara mal olduğunu belirtti.
Washington Üniversitesi ekibi, suyun varlığını hissedebilen “akıllı” bir kağıt geliştirerek, bu masraflı su sızıntılarını fark etme sürecini basitleştirmek istiyorlar. İletken nano malzemelerle donatılan bu kağıt, LED ışığını veya alarm sistemini açıp kapayarak, ortamda suyun olup olmadığını gösteren bir anahtar olarak kullanılabilir.
Araştırmacılar, bu keşiflerini, Journal of Materials Chemistry dergisinin Kasım sayısında çıkan bir makalede açıkladılar.
Washington Üniversitesi Çevre ve Orman Bilimleri Bölümü’ nde biyolojik kaynaklı bilim ve mühendislik alanında öğretim üyesi olan başyazar Anthony Dichiara, “Suyu algılamak, suyun kutupsal yapısı nedeniyle çok zordur. Bu nedenle şuanda piyasada kullanılan su sensörleri çok pahalı ve uygulaması pratik değil. Bu durum, bizim bu çalışmamızı sürdürme nedenimize öncülük etti” dedi.
Dichiara’nın yanı sıra, Washington Üniversitesi Biokaynak Bilimi ve Mühendisliği programının lisans öğrencilerinden oluşan ekip, elektriği iletebilen ve suyun varlığını algılayabilen bir kağıda, nano malzemeleri başarıyla yerleştirdiler. Kağıt hamurundan başlayarak, odun liflerini uslalıkla işlediler ve kağıt yapımında uygulanan standart bir prosesi kullanarak nanomalzemeleri dikkatle karıştırdılar.
Kağıdın, suyun varlığını algılayabileceğini tesadüfi olarak gerçekleşen bir olayla keşfettiler. Ekip tarafından oluşturulan iletken kağıda su damlaları düştü ve bu da kağıda bağlı olarak iletkenliği gösteren LED ışığının sönmesine neden oldu. Araştırmacılar ilk önce kağıdı harap ettiklerini düşündükleri halde, sonradan aslında suya karşı hassas olan bir kağıt hazırladıklarını fark ettiler.
Su kağıda çarptığında, kağıdın lifli hücreleri orijinal boyutlarının üç katına kadar şişer. Bu genişleme iletken nanomalzemeleri kağıt içinde yer değiştirir. Bu da elektrik bağlantılarını kesintiye uğratır ve LED gösterge ışığının kapanmasına neden olur.
Bu işlem tamamen tersine çevrilebilir ve kağıt kuruyorken, iletken ağ yeniden şekillenir. Böylece kağıt birden çok kez kullanılabilir.
(İşlem yumuşak kağıt hamurundan kurutulmuş tabakalar ile başlar. Lisans öğrencisi Demi Lidorikiotis, kağıt yapımı işleminin başlangıcında kuru pulpayı küçük parçalara yırtıyor.)
Araştırmacılar, batarya içeren bu iletken kağıt tabakasının, bir borunun etrafına veya bir üretim tesisinde karmaşık bir boru ağında kesişen boruların altına yerleştirilebileceği bir uygulama alanında kullanılacağını düşünüyorlar. Eğer boru su sızdırırsa, kağıt suyun varlığını algılayacak, sonra bir teknisyenin sızıntıyı çabucak bulup onarabileceği şekilde merkezi bir kontrol sistemine kablosuz olarak bir elektrik sinyali gönderecektir.
Ayrıca, kağıt çok hassas olduğundan çeşitli sıvı karışımları içinde eser miktarda bulunan suyu bile tespit edebilir. Suyu diğer moleküllerden ayırt etme yeteneği, özellikle petrol ve biyoyakıt endüstrileri gibi, suyun bir safsızlık olduğu düşünülen sistemler için değerlidir.
Dichiara, “Büyük ölçekli uygulamalar için bunun kesinlikle uygulanabilir olduğuna inanıyorum. Nanomalzemelerin fiyatı da gittikçe düşecek ve biz zaten belirlenmiş bir kağıt yapımı işlemini kullanıyoruz. Siz sadece süreç içerisinde doğru yerde ve doğru zamanda, geliştirdiğimiz şeyleri ekleyeceksiniz” dedi.
(Daha sonra, hamur bulamaçlarını odunun liflerini ayıran farklı bir makineye yerleştirilir bu ayırım kağıt hamuruna daha iyi bağlanacak kimyasalların eklenmesine izin verir. Lisans öğrencileri Demi Lidorikiotis (solda) ve Sidney Fry (karışıma eğilen).)
Kağıda eklenen nanomalzemeler, süreci değiştirmek zorunda kalmadan geleneksel kağıt yapımı esnasında dahil edilebilecek şekilde tasarlandı. Bu malzemeler aşırı iletken karbondan yapılmıştır. Çünkü karbon tüm canlılarda bulunur. Bu nedenle, kömür yapmak için hemen hemen her doğal malzeme yakılabilir ve daha sonra karbon atomları malzemelerin sentezlenmesi için ekstrakte edilebilir. Ekip, muz kabuklarından, ağaç kabuğundan ve hatta hayvan dışkılarından nanomalzemeler yapmayı denedi.
Ayrıca, kağıt üretim sürecinin tamamının ucuz, doğal malzemelerle tamamlanabileceğini göstermek için ağaç parçacıklarından nanomalzemeler üretmeye çalıştılar.
(Demi Lidorikiotis içinde kalan suları presleyerek çıkarmak için manuel bir silindir kullanıyor.)
Dichiara, “Artık her şeyin kağıttan ve küspeden yapıldığı sürdürülebilir bir sürece sahibiz ve bunlardan iletken malzemeler yapabiliriz” dedi.
Dokusu sert ve pürüzsüz olan kağıt, içerisindeki nanomalzemelerden (kömürdeki karbondan) dolayı yoğun siyah renktedir. Laboratuarda yapılan 8 inçlik diskler prototip olarak yapıldı. Ekip, daha fazla nanomalzeme ve kağıt hamuru gerektiren, endüstriyel büyüklükte bir kağıt yapımı makinesinde bu süreci test etmeyi umuyor.
(“Akıllı” kağıdın bitmiş tabakası pressten çekiliyor)
(Bir su damlası, kağıdın elektrik bağlantısını bozar ve ışığın kapanmasına neden olur.)
Kaynak : phys.org
