Midyelerden Öğrenmek: Daha Güçlü, Daha Dayanıklı Polimeri Üretmek

Lastik kauçuk ve ıslak kesim neopreninden Lycra giyim ve silikonuna kadar geniş bir yelpazede söz edebileceğimiz bu polimer esaslı malzemeler, esneklik ve dayanıklılık gibi özelliklerine sahip oldukları için kırılmadan orijinal haline dönen elastomerler olarak da bahsedilirler.

Bu tür malzemeleri daha güçlü yapmak genellikle onları daha kırılgan hale getirmek demektir bir açıdan. Bunun nedeni, yapısal olarak elastomerler, birkaç kimyasal çapraz bağlarla bir araya getirilmiş, çoğunlukla düzensiz spagettilere benzeyen bir yığına kıyasla, şekillendirilmemiş polimer zincir ağlarıdır. Bir polimerin güçlendirilmesi, daha fazla bağ oluşturarak teller arasındaki çapraz bağların yoğunluğunu arttırmayı gerektirir. Bu, elastomerin tellerine birbirinden uzaklaşmaya direnecek ve materyali daha organize bir yapıya kavuşturacak, aynı zamanda daha sert ve başarısızlığa eğilimli hale getirecektir.

UCL Santa Barbara’nın Malzeme Araştırma Laboratuvarı’na (MRL) bağlı bir araştırmacı ekibi, deniz midyelerinin engebeli arazide yüzeylere kendilerini korumak için kullandıkları sert, esnek polimerik byssal iplerinden esinlenerek, elastomerik polimerlerde mukavemet ve esneklik arasında ikisinden de ödün vermemek için bir yöntem geliştirdi. Grubun bulguları Science dergisinde yayımlandı.

UCSB Makina Mühendisliği Bölümü’nden doçent mukabili yazar Megan Valentine, “Geçtiğimiz on yılda, biyolojik materyallerin yükleme sırasında mukavemetin nasıl korunduğunu anlamak için muazzam gelişmeler yaptık” dedi. “Bu yazıda, yararlı ve  insan yapımı materyalleri geliştirmek için bu anlayışı kullanma yeteneğimizi gösteriyoruz, bu çalışma birçok ticari ve endüstriyel uygulama için heyecan verici keşif yolları açıyor” dedi.

İstiridyelerin kütikül kimyasından(cuticle chemistry) da esinlenildiği önceki çalışmalar hidrojeller gibi ıslak, yumuşak sistemlerle sınırlıdır. Bunun aksine, UCSB araştırmacıları midye kaynaklı demir koordine bağlarını kuru bir polimerik sisteme dahil etti. Bu önemli, çünkü böylesine kuru bir polimer, özellikle darbe ve torsiyon ile ilgili uygulamalarda sert fakat kırılgan malzemeler için değiştirilebilir.

UCSB’deki Valentine Laboratuarında doktora sonrası araştırmacı olan eş başkan yazarı Emmanouela Filippidi, “Islak ağın 25 kat daha az sert olduğunu ve benzer şekilde yapılmış kuru bir ağa kıyasla beş kat daha az uzadığını gördük” dedi. “Bu sonuç ilginç ancak beklenen bir şeydi. Burada asıl çarpıcı olan şey, demir eklemeden önce ve sonra kuru ağı karşılaştırdığımızda neler olduğuydu. Ağ Sadece gerginliğini korumakla kalmadı, aynı zamanda demir varlığında 800 kat daha sert ve 100 kat daha dayanıklı oldu. Bu yeniden konfigüre edilebilir demir-katekol bağlarından beklenmedik bir durum. “

Midye bisal(*byssal) kütikülüne benzer bir yapı ve performansa sahip ağlar elde etmek için ekip, amorf ve gevşek şekilde çapraz bağlanmış bir epoksi ağı sentezledi ve daha sonra dinamik demir-katekol çapraz bağları oluşturmak için epoksi ağını demirle muamele etti. Demir yokluğunda, kovalent çapraz bağlardan birinin kopmasıyla bu ağlar sonsuza kadar kırılır, çünkü kendini iyileştirme mekanizmaları yoktur. Ancak, tersinir demir-katekol koordine bağları mevcut olduğunda, demir içeren çapraz bağlardan herhangi biri mutlaka aynı yerde değil de yakın yerlerde bulunabilir, böylece mukavemet arttıkça malzeme dayanıklılığını korur. Bu malzeme, demir içeren koordine bağlarından yoksun benzer ağlardan daha katı ve daha dayanıklıdır.

Demir-katekol ağı gerilirken enerjiyi depolamaz, bu yüzden gerilme serbest bırakıldığında malzeme lastik bir bant gibi geri dönmez, aksine enerjiyi dağıtır. Malzeme, üzerindeki baskıdan sonra memory foam* tarzındaki viskoelastik bir malzemenin yaptığı gibi, yavaş yavaş orijinal şeklini yeniden kazanır.

Araştırmacıların kullandığı kuru sistem iki nedenden dolayı önemlidir. Islak bir sistemde, ağ suyu emer, böylece polimer zincirleri gerilir, bu nedenle fazla esnekliği kalmaz. Ancak kuru bir materyal ile, amorf ve spagettiye benzer lifler başlangıçta çok kompakttır, gerilerek uzayabilecekleri bir çok alan vardır. Polimerin güçlendirilmesi için demir çapraz bağlar eklendiğinde, bu bağlar kopabilir, böylece polimer zincirleri yerine kilitlenmez, kuru maddenin gerginliği tehlikeye atılmaz. Buna ek olarak, suyun ağdan çıkarılması, katekolün ve demirin birbirine daha yakın olmasına ve mekanik özellikleri iyileştiren yüksek bağlanabilirlik bölgelerini oluşturabilmesine neden olur.

“Islak ve kuru sistemlerde tepki arasındaki bu fark, çok büyük ve etkileyici uygulamalar için kullanışlı mühendislik malzemeleri sentezleme açısından yaklaşımımızı bir adım öne taşıyor” diyor  Valentine,

Kaynak: sciencedaily.com