Malzeme Teknolojisinde Tabiatı Taklit

1. GİRİŞ

İnsanlar makina ve bi­naları imâl ederken belirli özelliklere sahip malzemele­ri kullanırlar. Bu malzemeler tabiatta ham olarak bulunur ve çeşitli işlemlerle onlara istenen özellikler kazandırılır. Çelik gibi, bakır gibi bu­güne kadar imalatımızın te­melini teşkil eden malzeme­ler bunlardandır. Fakat tek­nik ve teknolojinin ilerleme­si ile söz konusu malzemeler kendilerinden beklenen özellikleri sağlayamaz oldular. Meselâ çelik istenen muka­vemet özelliğini sağlamasına rağmen ağırlığı sebebi ile gelecekteki birçok uygula­ma alanında yerini kaybet­mektedir. Ağırlık problemi alüminyumla halledilebiliyor ise de bu durumda başka özellikler tamamlanamıyor. Bunun sonucu malzeme üre­timi konusunda yeni kay­naklara ve teknolojilere olan ihtiyaç ortaya çıkıyor.

İnsanoğlu tabiatı taklit konusunda oldukça uzun bir tecrübeye sahiptir. Bu­güne kadar teknolojik geliş­me adına ortaya konulan şeylerin tamamı tabiatta mevcut varlıkların taklidinde gösterilen başarılardan ibarettir. Meselâ kuşlar ince­lenerek uçak yapılmış, bir adım ileriye gidilmiş kuşla­rın iniş kalkış durumlarının taklidi yapılmış ve gelişmiş bir teknoloji olarak ortaya konulmuştur. Veya balina­ların vücut yapılan incele­nerek denizaltı gemileri ya­pılmıştır. Çekirgelerin dav­ranışları kaldırma ve iletme makinalarına örnek teşkil etmiştir. Adını bile birçoğumuzun bilemiyeceği canlı cansız nice varlıklar örnek alınarak imalat sahasına ak­tarılmıştır. Hatta insanoğlu ölülerini gömmeyi bile bir kargadan öğrenmiştir. Bun­lar aslında insanoğlunun dünyaya gönderilmesinden maksadın “ilim ve duâ ile tekamül etmek” olduğunu gösteriyor.

Bugün tabiatı taklit (Biomimetri) de yeni bir seviye­ye gelmiş bulunuyoruz. İler­leyen imalât teknolojisinin mevcut malzemelerle kifa­yet etmemesi, görünüş ve şekil olarak taklit edilen varlıkların malzeme yapıla­rının da incelenmesi ihtiyacım ortaya çıkardı. Tabii malzemeler olarak deri, si­nir, kemik, boynuz, kuştüyü gibi hayvani malzemeler ve ağaç, yaprak, ot gibi nebati malzemeler sayılabilir. Gerçi insanoğlu bu malzemeleri kullanmayı ilk insan, ilk Peygamber Hz. Adem (s) za­manından beri biliyor. Me­selâ deriyi kullanıyoruz fa­kat bu yüzden bazı hay­vanların neslinin tükenmesi problemi ortaya çıkıyor. Ağaç bir malzeme olarak kul­lanılıyor bu yüzden de yer malzeme teknolojisinde ta­biatın taklit edilmesi burada önemini bütün açıklığı ile ortaya koyuyor.

2. TABİİ MALZEMELER

İnsanoğlu ağaç ve ben­zeri bitki liflerinin kullanıl­masında çok eski bir gelene­ğe sahiptir. İpek, deri, boy­nuz, kuştan ineğe her türlü hayvanın kemiği ve kuştüyü gibi malzemeleri de çok es­ki zamanlardan beri kullan­mıştır. Bunlar mukavemet, tokluk, şekil değişimine karşı direnç gibi mekaniki özellikleri sebebi ile kulla­nışlı hale gelmiş ve günü­müzde de kullanışlılığını kaybetmemiş malzemeler­dir. Bazıları canlı vücuduna ayak ve diş gibi protezler olarak kullanılmıştır.

Seramikler

Tabii malzemelere bu çok yakın alâkanın sebebi­ni ortaya koymak için üret­tiğimiz bazı malzemelerle tabii malzemeleri karşılaştı­ralım. Bunun için, kendisi de tabii malzemelerin kaba bir taklidi olan kompozit malzemelerle, sedef ve kemi­ği ele alabiliriz. Her iki tip malzeme de yapılarında se­ramik içerir. Ve mekanik özellikleri içer dikleri sera­mik oranına göre değişir. Ayrıca kemik ve sedefin özellikleri içerdikleri su miktarıyla doğrudan ilgili­dir (tablo1).

Tabloda görüleceği üze­re içlerinde hemen hemen aynı miktarda seramik olma­sına rağmen, kemik kompo­zit malzemeyle karşılaştırıl­dığında onlarca kat daha “tok”dur (Tokluk: Kırılma­ya karşı direnç). Benzer şekilde sedef ve ikinci tip kompozit malzeme karşılaş­tırıldığında da aynı durum gözlenmektedir. Eğer malze­meye bu özelliği kazandıran şey bilinir ve insan yapısı malzemeye uygulanırsa ben­zer sonuçların alınacağı mu­hakkaktır. Bu durum araş­tırılmıştır. Sonuçta sedefin 0.05 mm. kalınlığında ta­bakalardan meydana geldiği ve bu tabakaların protein ve polisaccaride’den yapılmış olduğu anlaşıldı. Yüke ma­ruz kaldığı zaman bu plâka­lar birbirine yaklaşmakta, orada oluşan, çok küçük kı­rıklar malzemenin tümüne tesir etmemekte ancak belli bir yüklemeden sonra bu kı­rıklar kayarak birleşmekte ve malzeme hasara uğramak­tadır. Sedef basit bir yapıdır çünkü tek bir yapı şekli var­dır. Hâlbuki kemik içinde dört basamaklı bir yapı vardır (şekil 1). Kemik çok ince liflerin birleşmesinden mey­dana gelmiştir ve bu sayede de çok büyük zorlamalara karşı dayanabilmektedir. Toklukları sayesinde kemik ve sedef, metaller gibi işlenebilmekte ve çok güzel gö­rünümler alabilmektedir.

Protein Esaslı Malzemeler

Kemik, saç veya sinir gibi protein esaslı malze­meler ile karşılaştırılınca çok basit kalır. Çünkü bun­larda altı basamaklı bir yapı vardır (şekil 2). Boynuz ve sinirin her ikisi de lifli kom­pozit malzemeler olarak ka­bul edilebilirler. Bunlar (ilaveten) lif ara yüzeylerin­deki molekül çekim kuvveti (adhezyon) derecesi kontrol edilmekle liflerin boyutları­nın tayin edilmesi imkânı verirler. Bu sayede lifler mikrofibril kadar ince veya saç kılı kadar kaim yapıla­bilirler. Bu da malzeme tek­niği açısından pek çok imkânı beraberinde getirir.

Boynuzun etrafında keratin bir kılıf bulunur. Bu sayede lifler arasındaki dol­gu malzemesi içinde meyda­na gelen çatlaklar kontrol altına alınır. Çünkü keratin kırılmaya karşı oldukça mu­kavim bir malzemedir. De­neyler boynuzun ıslak oldu­ğu zaman bu özelliğini daha da arttığını göstermiştir. Üzerinde belli büyüklükte çat­lak bulunan boynuzdan ya­pılmış deney numunelerin­den ıslak olanlarının kırıl­maya karşı mukavemetleri daha yüksektir. Bu deney­lerden sonra; geyik ve yaban keçilerinin kavgadan önceki hareketleri sırasında boy­nuzlarını çamur ve ıslak bit­kiler arasında sağa sola sal­lamalarının sebebi anlaşıla­bilmiştir.

Boynuz, tırnak ve saç gibi şeylerin esas maddesi olan keratin sıcak suyun içînde ısıtılınca oldukça yumuşak bir hale gelmekte, kolayca şekil almakta ve so­ğuyunca aldığı şekli muha­faza etmektedir. Baston tu­tamakları ve tarak gibi şey­ler böyle yapılır. Sinir, kolojen miktarının esnek bir esas malzeme içerisinde bir­leşmesi ile meydana gelir. Bu esneklik sebebiyle sinir basınca maruz yerlerde kul­lanılamaz. Fakat çekme zorlanmasına karşı iyi özellik­leri vardır. Ayrıca sinirin kuvvetin kastan kemiğe aktarılması sırasında yay gi­bi davrandığı, ani ve sert hareketlerden ortaya çıkan enerjiyi depo ederek gerek­tiğin de kullanılmaya hazır halde tuttuğu da anlaşılmış­tır. Sinirin çekmeye karşı dayanıklılığının sebebi, lif­lerde oluşacak kopmaların birbirine atlamasına engel olacak şekilde liflerin bir­birinden uzaklaşması oldu­ğu tespit edilmiştir. Sinir ve boynuz, birinin çekme­ye diğerinin basmaya olan mukavemetleri sebebi ile Türkler ve İranlılar tarafın­dan yay yapımında bin yıl önceden beri kullanılmış ve ancak ateşli silahların çık­masıyla ehemmiyetlerini kaybetmişlerdir.

Bütün bu malzemeler bir kaç elemandan meydana gelir; protein, kolojen, keratin gibi beş veya altı çeşit madde çok az karışmış ola­rak bulunur. Bir miktar polisaccaride ara boşlukların dol durulmasında kullanılmakta­dır. Genellikle bir sodyum tuzu veya silika olan ve iyi bir basınç mukavemeti iste­nen yerlerde kullanılan sera­mik. Tabiattaki malzemeleri meydana getiren tekniklerin çelene bilirse, bugün kullan­dığımızdan çok daha geliş­miş malzemelerin üretilmesi mümkün olacaktır. Bu saye­de, meselâ hafızalı malzeme­ler denilen ve verilen şekli bozulduktan sonra ısıtılınca tekrar alan malzemeler geliş­tirilmiştir.

Nebati Malzemeler

Nebati malzemeler zira­at ve gıda bilimi ile uğra­şanlar tarafından inceden in­ceye araştırılmıştır. Yapı botanikçileri ince yapılar, üzerinde elektron mikrosko­bu kullanımıyla iyice derin­leşirken, bitkileri mühendis­lik malzemesi olarak kullan­malarına rağmen malzeme bilimcileri bu malzemelerin yapısı konusunda çok az çalışmışlardır. Bu durum nebati malzemelerin botanik terimlerle tanımlanmasına, dolayısıyla malzeme bilimi açısından çok karmaşık olan bitki yapısının anlaşılamamasına sebeb olmuştur. Malzemeciler bitki yapısını incelemeye hücre seviyesin­den başlamalıdırlar. Bunun sonucunda görülmüştür ki hücreler birbirlerine yakla­şık olarak 1 MN/m2’lik bir gerilmeyle bağlıdır. Bu ge­rilme 1 ton ağırlığındaki bir bloğun 1 m2’ye yaptığı ba­sınç kadardır. Meselâ elma odununun hücre yapısındaki çekme ve yönelme araştırı­lıp model haline getirilirse çok dayanıklı malzemeler elde edilebilir. Odunun hüc­re duvarları sipiral yapılı selüloz liflerinden yapılmış ve dolgu malzemesi olarak lignin kullanılmıştır. Böyle bir yapı iki ucundan çekil­diğinde her hücre ve lif gurubu kendi arasında bü­zülür ve lifler arasında mey­dana gelen çatlak sipiral şe­killi olur. Her hücre bir dışındaki hücre tabakası ta­rafından kaplanmış oldu­ğundan kırılma mekanizma­sı başka hücrelere daha geç taşınır. Şekil 3’te gerçek birodunun kırılmasını şekil 4’-de bunun modellenmesiyle oluşan malzemenin kırılma durumunu göstermektedir.

Bir kağıt fabrikası ağaç ya­pısını taklit ederek yaptığı ambalaj mukavvasında çok büyük mukavemetlere ulaşa­bilmiştir (şekil 5).

3. SANAYİDE BİYOLOJİK MALZEMELER

Malzeme Üretimi

Sanayide bugün biyolo­jik malzeme üretimi yapıl­maktadır. Bunda kullanılan yöntemlerden biri olan fermantasyon pahalı olmasına rağmen malzeme saflığının kontrol edilebilmesi sebe­biyle tercih edilmektedir. Bu şekilde üretilen malzeme kulaklık zan gibi çok ince ve nazik yerlerde kullanıl­maktadır. Ayrıca bu şekilde üretilen lifler belli bir yüze­yin üzerine yapışık olarak üretilirse yüzey şekli elde edilmektedir. Biyoteknolojik araştırmanın temel hedeflerinden biri de yapış­tırıcı ve plastiklerdir. Mid­yelerin kayalara nasıl tutun­duğu araştırılsa ve bu mad­deler kimyevi olarak üret il­se çok ucuz birleştirme malzemeleri ve yöntemleri bulunabilir.

Tıp

Biyolojik malzemeler bugün ençok tıpta protez yapımında kullanılmaktadır. Bu konuda bile tabiat çok az incelenmiştir. Klâsik mü­hendisliğin ilgilendiği kolay hesaplanan, az şekil değiş­tiren malzemeler yaşayan bir vücudun içine çok az uyum sağlayabilir. Ancak ke­mik veya diş protezleri böy­le yapılabilir. Sinir kolojenleri ise %4 hatta %10’a varan ve kalıcı olmayan uzama özellikleriyle, derinin ikinci esas malzemesi olan elastinin %80’e varan uzayabilme özellikleri büyük önem arzeder. Sinir, damar ve deri yalnız uzayabilme özellikleriyle kalmayıp, ça­lışma anındaki fazla enerji­yi depolayabilme Özellikle­riyle de önemlidirler. Bun­ların yerine kullanılacak protezin yapımında çok bü­yük dikkat gerekir. Meselâ kalp atışı esnasında mey­dana gelen yüksek basınç, atardamarların boylan kı­salmadan çaplarının genişleyebilme özellikleri sayesin­de karşılanır. Bu çap ayar­laması o kadar iyi düzenlen­miştir ki, kanın akış tipi aynı kalır, yani çalkalanma gibi, dalgalanma gibi hâdi­seler görülmez. Sonuç ola­rak sağlık açısından da tabii malzemelerin mikro yapılarının incelenmesine büyük ihtiyaç bulunmakta­dır.

(Julian Vincent’ in Me­tals and Materials, January 1990’daki makalesinden ya­rarlanılmıştır.)