Seramik Mühendisliği Dünyasında Bir Yıldız

Giriş

Seramikler, metal ve polimer bazlı malzemelerden daha yüksek sıcaklıklara ve aşındırıcı ortamlara dayanabilir, ancak kırılgan yapıları onları kırılmaya eğilimli hale getirir. Bu davranış, bu malzemelerin hafif gözenekli versiyonlarını oluşturmaya çalışan geliştiriciler için zorluklar oluşturabilir. Bu nedenle, seramik köpükler yapısal bileşenler olarak nadiren kullanılır.

Makine Mühendisliği, Yardımcı Doçent Ling Li, hafif, yüksek mukavemetli seramik malzemeler geliştirme gibi zor bir görevle karşı karşıya kaldığında tasarım ilhamı için beklenmedik bir işbirlikçiye baktı: Tropikal Hint-Pasifik’ten yumrulu deniz yıldızı. Li ve araştırma ekibi, bu nadir deniz türlerinin karmaşık ve yüksek düzeyde düzenli mineralize iskelet yapısını incelerken özelliklerin beklenmedik bir kombinasyonunu belirlediler ve bu tamamen yeni, yüksek performanslı hafif seramik kompozit sınıfının geliştirilmesine yol açabilir.

Gözenekli Giderek Hafif Gitmek

Örneğin otomobil ve havacılık üreticileri, geliştirilmiş yakıt verimliliği ekonomisini güçle birleştiren hem güçlü hem de hafif malzemeler üretmeye büyük ilgi duyuyor. Daha güçlü malzemeler daha yüksek yoğunluğa sahip olduğundan ve dolayısıyla daha fazla ağırlığa sahip olduğundan, endüstriler bu dengeyi sağlamayı zor buluyor.

Doğa, milyonlarca yıllık evrim boyunca bu zorluğa dahiyane bir çözüm geliştirdi: gözenekli malzemeler. İç gözeneklilik, hem inanılmaz derecede hafif hem de mekanik olarak verimli malzemeler yapma potansiyeline sahiptir.

Gözenekli malzemeler, doğada çeşitli şekillerde bulunabilir. İnsan iskeleti, bitki gövdeleri ve bal arısı kolonileri bunun örnekleridir. Bu doğal malzemeler mikroskop altında incelendiğinde mikroskobik boşluklar veya odacıklarla dolduruldukları görülür. Doğal gelişim, özellikle gözenekli biyolojik yapıların oluşturulmasında etkilidir ve bu üretim sıklıkla beklenmedik şekilde karmaşık iç geometrilere neden olur.

Li ve ekibi, seramik köpüklerin ve mimari malzemelerin mekanik zayıflığını çözmek için yeni malzeme tasarım ilkeleri oluşturmak amacıyla Biyolojik ve Biyo-İlham Malzemeler Laboratuvarı’nda doğal hafif seramik yapıları araştırıyor.

Li, “Kapsamlı hedefimiz, yeni gözenekli malzemeler inşa etmek için doğadan bir şeyler öğrenmek ve doğadan ilham almaktır.” dedi. “Doğa bize hem sağlam hem de hasara dayanıklı gözenekli malzemelerin nasıl oluşturulacağı konusunda çok şey öğretiyor.”

Araştırmacılara göre Mürekkep Kemiği (mürekkep balıklarının iç iskeleti); sağlam, sert ve kırılmaya karşı dirençli iken aynı zamanda yüzdürme ayarına izin veren benzersiz bir oda bazlı biyoseramik yapıya sahiptir. Ekip, bu çabadan ilham aldı ve diğerleri, mikro ölçekte doğanın gözenekli desenleri için yeni uygulamalara bakmaktan hoşlanıyor.

Deniz Yıldızı İskeletleri: Doğal Bir Mimariye Sahip Seramik Kafes

Li ve ekibi, bu projede çabalarını, topuz deniz yıldızının iskeleti üzerinde yoğunlaştırdı. Hint-Pasifik bölgesinde yaygın olarak bulunan bu türün kurutulmuş kemikleri ev dekorasyonunda sıklıkla kullanılmaktadır. Avcılar, bu deniz yıldızının sırt yüzeyinden çıkan koni şeklindeki çıkıntılar tarafından caydırılır.

Li ve Ph.D. öğrenci Ting Yang (makalenin ilk yazarlarından ve şimdi Massachusetts Institute of Technology’de doktora sonrası bir arkadaş) Nano Ölçekli Karakterizasyon ve İmalat Laboratuvarı’nda (NCFL) bu deniz yıldızı iskeletlerinin, örneklerini gözlemliyorlardı ve bir şey fark ettiler. Deniz yıldızı iskeleti, daha önce araştırılan mürekkepbalığı kemiği ve deniz kestanesi dikenlerinin gözenekli mimarileriyle tezat oluşturan, mikro ölçekte çok düzenli dal desenlerine sahip bir kafes tasarımına sahiptir. Aslında, bu deniz yıldızının olağandışı iskelet düzeni, şimdiye kadar incelenen tüm omurgasızlar arasında en yüksek yapısal düzenliliğe sahiptir. Bu tür düzenli kafes benzeri yapılar, son zamanlardaki insan inşaat projelerinde kullanılan uzay kafes kafes yapılara çarpıcı benzerlikler taşımaktadır.

Deniz yıldızı iskeletleri, kristalin bir kalsiyum karbonat türü olan kalsitten oluştuğundan, araştırmacılar bu doğal seramik kafes malzemesinin nasıl mekanik koruma (tebeşir) sağladığını düşündüler. Dışarıda oynamış olan herhangi bir çocuk, kaldırım tebeşirinin ne kadar kırılgan ve kolayca kırıldığını anlar. Deniz yıldızının vücudu ise son derece güçlü ve esnektir. Bu yapının altında yatan ilkeleri anlamak, daha güçlü gözenekli seramiklerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Mürettebat şaşırtıcı bir şey keşfetti. Topuzlu yıldızın iskeleti, diğer deniz yıldızı türlerininki gibi, kemikçikler olarak bilinen birden fazla milimetre boyutunda iskelet parçalarından oluşur. Bu kemikçikler yumuşak dokuya yapışır ve hayvanın hareket etmesine ve esnek olmasına izin verir. Li ve meslektaşlarına göre her kemikçik, Eyfel Kulesi’nin yapısına benzer şekilde, düğümlerle birleştirilen dallarla, matematiksel olarak tanımlanabilecek kadar tek biçimli bir mikro örgü yapısından oluşur. Daha da ilgi çekici olan ekip, mikro örgünün tek tip yapısının, atomlarının hizalanması nedeniyle atom seviyesinde esasen tek bir kristal yapı olduğunu keşfetti.

Li, “Bu türünün tek örneği olan madde, tek bir kalsit kristalinden kesilmiş periyodik bir kafes gibi görünüyor.” diye açıkladı. “Bu neredeyse kusursuz mikro örgü, doğada daha önce hiç gözlemlenmedi veya daha önce sentezlenmedi. Çok düzenli kafes malzemelerinin çoğu, malzemeleri mikroskobik kristallerle birleştirerek kompozitler oluşturarak oluşturulur, ancak bu yeni bir tekniktir. Tek bir birim olarak büyütüldü.”

Bu yapı, bir deniz yıldızının iskeletini belirli yönlerde kasıtlı olarak güçlendirmesini sağlayarak daha fazla koruma sağlar. Ayrıca, hayvanın dalları belirli yönlerde ve konumlarda kalınlaştırabildiği ve insan vücudunun fiziksel egzersize uyum sağlamak için gözenekli kemiklerinin yerel şeklini değiştirebildiğine benzer şekilde mekanik verimliliği artırabildiği görülüyor. Araştırmacılar, deniz yıldızında, yapının tasarımın düzenli kafes modelini değiştirdiği görünen yerleri keşfettiler; bu, mikro kafes çatladığında çatlak uzamasını önleyen bir özellik.

Bu biyolojik bulgu, bir biyomineralizasyon uzmanı olan Patricia Dove’a göre, Üniversite Seçkin Profesörü ve C.P. Virginia Tech Yerbilimleri Departmanında Miles Bilim Profesörü, biyo-ilhamlı inovasyon alanında büyük bir etkiye sahip olabilir.

Dove, “Son derece yırtıcı deniz tabanı ortamlarında, deniz yıldızları ve diğer derisidikenliler, hayatta kalmak için hayati önem taşıyan bir malzeme yenilikleri evrenini ortaya çıkarıyor.” dedi. “Biyoloji, yalnızca deniz suyu ve birkaç organik bileşen kullanarak deniz yıldızlarında bulunanlar gibi inanılmaz iskeletlerin inşasına öncülük ediyor. Temeldeki makine mühendisliği özelliklerinin bu çığır açan araştırması, yeni bir malzeme tasarımı sınırı olarak muazzam bir potansiyele sahip.”

Sıradaki Ne?

Doğal mikro yapıların tasarımını anlamak ileriye doğru atılmış büyük bir adım olsa da, Li ve ekibinin hala birçok endişesi vardı. Hayvanların kemiklerini nasıl ürettiklerini anlamanın, onları yeniden üretecek bir tekniğe yol açabilecek bir anahtarı var mıydı?

Hem çalışma hem de eğitim için Li ve ortakları, bu karmaşık kafes yapılarının büyük ölçekli kopyalarını modellemek ve oluşturmak için 3D baskı kullandılar, bu benzersiz geometrilerin karmaşıklığını anlamada faydalı bir yol. Li’nin ekibinin 3D baskılı modelleri görsel olarak heyecan verici olsa da, piyasaya yeni, daha sağlam seramik mikro mimarileri getirmek için gereken teknoloji çok uzaktaydı. 3D yazıcılar artık yapıları mikrometre düzeyine kadar yazdırabilir, ancak seramik üretimi hala bitmiş ürünün yakılmasını gerektirir, bu da birçok kontrolsüz mikroskobik boşluk ve çatlak oluşturabilir. Bu kusurların bir sonucu olarak yapılar aşırı derecede kırılgandır. Li, 3D baskıda gelecekteki gelişmelerin ve deniz yıldızı iskeletleri gibi biyolojik yapıların üretim mekanizmalarının daha iyi bilinmesinin bir çözüme yol açabileceğini umuyor.

Li, “Oda sıcaklığında ve ortam basıncında doğa, karmaşık mimariler oluşturmak için mineral öncüleri bir araya getirebilir.” dedi. “Virginia Tech’de, doğal mineral oluşumlarına yönelik güçlü bir araştırma ilgimiz var ve bu büyüleyici araştırma alanının bir gün çok çeşitli biyolojik esinli, daha güçlü ve daha hafif malzemelerin üretimine yol açacağını umuyorum.”

Hongshun Chen, Zhifei Deng, Liuni Chen ve Virginia Tech’den doktora sonrası Zian Jia, Harvard Üniversitesi’nden James C. Weaver ve Bowdoin Koleji’nden Emily Peterman, çalışmadaki diğer yazarlar arasında.

Ulusal Bilim Vakfı, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Virginia Tech’in Kritik Teknoloji ve Uygulamalı Bilim Enstitüsü araştırmaya katkıda bulundu.

Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220210154222.htm

Görsel Kaynak:https://tr.pinterest.com/pin/454371049897316285/

Editör: Ecem Bolat