Hem Sert Hem de Dayanıklı Elastik Polimer Uzun Süredir Devam Eden İkileme Çözüm Sunuyor

Fotoğraf-1: Solda büyük ölçüde karmaşık hidrojel ve sağda düzenli hidrojel.

Polimer bilimi, günlük hayatın her alanında, içerisinde kauçuk lastikleri, Teflon ve Kevlar’ı, plastik su şişelerini, naylon ceketleri de bulunduran, birçok ürüne zemin sunmuştur. Elastomerler olarak da tanınan elastik polimerler, defalarca kez esnetilip serbest bırakılabilirler ve yırtılmadan uzun süre dayanması beklenen eldiven ve kalp kapakçıkları gibi uygulamalarda kullanılırlar. Ancak bir muamma polimer bilim insanlarını uzun süredir şaşırtıyor: Elastik polimerler sert veya dayanıklı olabilirler, ancak ikisi birden olamazlar.

Bu sertlik-dayanıklılık çatışması, doku rejenerasyonu, biyo-yapışkanlar, biyo-baskı, giyilebilir elektronikler ve yumuşak robotlar gibi uygulamalarda kullanılabilecek polimerler geliştiren bilim insanları için bir meydan okuma olmakta.

Science dergisinde yayımlanan bir makalede, Harvard’ın John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan (SEAS) araştırmacılar, uzun süredir devam eden bu çatışmaya çözüm buldular ve hem sert hem de dayanıklı bir elastomer geliştirdiler.

Allen E. ve Marilyn M. Puckett Mekanik ve Malzeme Profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı olan Zhigang Suo, “Bilim insanları, ortaya çıkan uygulamalar için polimerler geliştirmenin yanı sıra acilen çözülmesi gereken bir zorlukla da karşı karşıya: Plastik kirliliği.” diyor. “Biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin gelişimi bizi bir kez daha temel sorulara geri getirdi: Neden bazı polimerler dayanıklıyken diğerleri kırılgandır? Polimerleri tekrarlanan germe altında yırtılmaya karşı nasıl dirençli hale getiririz?”

Polimer zincirleri, monomer yapı taşlarını birbirine bağlanmasıyla elde edilir. Bir malzemeyi elastik hale getirmek için polimer zincirleri kovalent bağlarla çapraz bağlanır. Çapraz bağ ne kadar fazla olursa, polimer zincirleri o kadar kısa olur ve malzeme o kadar sert olur.

SEAS’ta yüksek lisans öğrencisi ve makalenin baş yazarlarından olan Junsoo Kim, “Polimer zincirleriniz kısaldıkça malzemede depolayabileceğiniz enerji azalır ve malzeme kırılgan hale gelir.” diyor. “Sadece birkaç çapraz bağınız varsa, zincirler daha uzundur ve malzeme dayanıklıdır ancak kullanışlı olamayacak kadar yumuşaktır.”

Hem sert hem de dayanıklı bir polimer geliştirebilmek üzere araştırmacılar, polimer zincirlerini birbirine bağlamak için kimyasal bağlar yerine fiziksel bağlara odaklandılar. Dolaşıklıklar adı verilen bu fiziksel bağlar, polimer bilimi var olduğundan beri bu alanda biliniyordu, ancak bunların dayanıklılığı değil, yalnızca sertliği etkilediği düşünülüyordu.

Ancak SEAS araştırma ekibi, yeterince dolaşıklıkla bir polimerin sertlikten ödün vermeden dayanıklı hale gelebileceğini keşfetti. Yüksek oranda dolaşıklı polimerler oluşturmak için araştırmacılar, diğer polimer reçetelerinden 10 kat daha az su içeren konsantre bir monomer öncü çözeltisi kullandılar.

Fotoğraf-2: Solda, her polimer zincirinin uzunluğu boyunca çok sayıda dolaşıklık ve her iki ucunda bir çapraz bağlantı, sağda gerginliğin diğer zincirlere iletimini gösteren germe altında bir polimer.

SEAS’ta doktora sonrası araştırmacı ve makalenin baş yazarlarından olan Guogao Zhang, “Tüm monomerleri bu çözeltide daha az su ile toplayıp polimerize ederek, karmaşık iplik dizileri gibi dolaşmaya zorladık.” diyor. “Örme kumaşlarda olduğu gibi polimerler de fiziksel olarak iç içe geçerek birbirleriyle olan bağlarını sürdürürler.”

Bu dolaşıklıkların yüzlercesiyle, polimeri kararlı halde tutmak için sadece bir avuç kimyasal çapraz bağ gereklidir.

SEAS’ta misafir öğretim üyesi ve makalenin ortak yazarı olan Meixuanzi Shi, “Elastomerler yüksek dayanıklılığa, mukavemete ve yorulma direncine sahiptir.” diyor. “Polimerler, hidrojel olmak üzere, suya daldırıldıklarında, düşük sürtünme ve yüksek aşınma direncine sahiptirler.”

Bu yüksek yorulma direnci ve yüksek aşınma direnci, polimerlerin dayanımlarını ve ömrünü artırırlar.

Zhang, “Araştırmamız, çapraz bağlar yerine dolaşıklıkların kullanımı yoluyla malzemelerin dayanıklılığını artırarak bazı plastiklerin tüketimini azaltabileceğimizi gösteriyor.” diyor.

Kim, “Bu yeni polimer yapı anlayışının uygulama fırsatlarını genişleteceğini ve bu olağanüstü mekanik özelliklerle daha sürdürülebilir ve uzun ömürlü polimer malzemelerin yolunu açacağını umuyoruz.” diyor.

Kaynak: phys.org