Bilinen En Kuvvetli ve En Hafif Malzeme Araştırmacılar Tarafından Tasarlandı
MIT’de başarıyla tasarlanan gözenekli ve üç boyutlu grafen form; çelikten 10 kat daha güçlü olmasının yanı sıra çok daha da hafif bir yapıya sahiptir.
MIT’deki bir araştırmacı gurubu, iki boyutlu karbon formunda olan grafen greslerini sıkıştırıp eriterek, bilinen en dayanıklı hafif malzemelerden birini başarıyla tasarladı. Sadece % 5 yoğunluğa sahip sünger benzeri bir konfigürasyonda bulunan bu yeni malzemenin çelikten 10 kat daha fazla bir mukavemete sahip olabilirliği söz konusu.
Grafenin iki boyutlu formunun bilinen malzemeler arasında en güçlüsü olduğu herkes tarafından kabul görülmektedir. Ancak, bu iki boyutlu formun çok daha kullanışlı üç boyutlu malzemelere dönüştürülmesi için araştırmacılar yoğun bir çalışma içerisindeler.
Yeni bulgulara göre üç boyutlu formların en önemli yönünün; benzer özellikteki güçlü ve hafif materyallerin bir araya getirilerek yine benzer geometrik özellikler göstereceği düşüncesinden hareketle, oluşturulan yeni malzemelerin kendilerinden farklı olarak alışılmadık geometrik konfigürasyonlara sahip olmalarıdır.
MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) bölümü başkanı Markus Buehler, McAfee mühendislik profesörü Zhao Qin, CEE’ndeki bilim adamı Gang Seob Jung ve lisansüstü öğrencisi Min Jeong Kang tarafından yapılan çalışma ile ilgili bulgular Science Advances dergisinde yayınlanan makalede yer almaktadır.
Daha öncesinde benzer çalışmaları gerçekleştiren diğer gruplar, bu gibi hafif yapıların olasılığını önermiş olmalarına rağmen yaptıkları laboratuvar deneyleri tahminleriyle örtüşmemiş, geliştirdikleri malzemelere ait bazı özellikler beklenenden çok daha az seviyelerde güç sergilemişti. MIT ekibi, malzemenin davranışını yapı içindeki atomların seviyesine göre analiz ederek bu gizemi çözmeye karar verdi. Bu amaçla, deneysel gözlemlerle çok yakından eşleşen matematiksel bir çerçeve üretmeyi başardılar.
İki boyutlu malzemeler – temelde sadece bir atom kalınlığında olan ancak diğer boyutlarda süresiz olarak genişleyebilen yassı tabakalar – benzersiz elektriksel özelliklerin yanı sıra olağanüstü bir mukavemete de sahiptir. Buehler, iki boyutlu malzemelerin inceliği dolayısıyla araçlar, binalar veya cihazların yapımında kullanılabilecek üç boyutlu malzemelerin oluşturulması için çok kullanışlı olmadıklarını dile getiriyor. Ayrıca yaptıkları çalışmaların, bu iki boyutlu malzemelerin üç boyutlu yapılara dönüştürülme isteklerini anlayabilme esaslı başlatıldığını da vurguluyor.
Araştırma ekibi öncelikle ısı ve basınç kombinasyonundan yararlanarak küçük grafen parçalarını sıkıştırarak sonrasında bazı mercanlar ve diatomlar olarak adlandırılan mikroskobik canlılara benzeyen güçlü, istikrarlı bir yapı oluşturdu. Yoğunluklarıyla aynı orantıda muazzam bir yüzey alanına sahip olan bu şekillerin son derece güçlü olduğu belirlendi. Qin: “Bu üç boyutlu yapıları oluşturduktan sonra sınırın ne olduğunu görmek istedik ve üretebileceğimiz en güçlü malzeme ne olabilir diye sorguladık.” şeklinde görüşlerini dile getiriyor. Araştırma ekibi bu amaç doğrultusunda, bir çekme yük makinesinde yapılan çekme ve basma testlerinde yükleme koşullarını sağlayan hesaplamalı simülasyonları kullanarak önceden hazırlamış oldukları çeşitli 3D modelleri birtakım testlere tabi tuttular. Hazırlamış oldukları 3D modellerinden birinin ise %5 yoğunluğa sahip olmasına rağmen çelikten 10 kat daha fazla güçte olduğunu tespit ettiler.
Buehler, deforme olmuş kavisli yüzeylerden oluşan 3D grafen materyalini kağıt yapraklarına benzetmektedir. Kağıt, uzunluğu ve genişliği doğrultusunda çok az mukavemete sahiptir ve kolayca buruşturulabilir. Ancak belirli şekillere getirildiğinde, örneğin bir tüp içerisine sıkıştırıldığında tüpün uzunluğu boyunca mukavemeti artarak önemli miktarlardaki ağırlığı kaldırmada destekleyici olabilir. Benzer şekilde, grafen taneciklerinin işlemden sonra geometrik olarak düzenlenmesi doğal olarak çok güçlü bir konfigürasyon oluşturmaktadır.
Yeni konfigürasyonlar yüksek çözünürlüklü, çok ölçülü, üç boyutlu bir yazıcı kullanarak laboratuvarda hazırlandı. Yükleme anındaki mekanik tepkileri ile çekme ve basma özellikleri mekanik olarak test edilerek sonrasında ekibin teorik olarak hazırladığı modellemeler yardımıyla simüle edildi. Deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen sonuçların ise doğrusal bir şekilde eşleştiği görüldü.
Böylece MIT ekibi tarafından atomistik hesaplama modellemesine dayanan daha yeni, daha doğru sonuçların sağlanmasıyla diğer ekipler tarafından önerilmiş olan tüm olasılıklar hükümsüz kaldı. Üç boyutlu grafen yapılar, gerçekte havadan daha hafif özellikte olmalarının yanı sıra balonlardaki helyum için oldukça dayanıklı bir alternatif olarak kullanılabilirler. Bununla birlikte, şu ana kadar ki mevcut diğer çalışmalar bu gibi düşük yoğunluktaki malzemelerin yeterli mukavemet gösteremeyerek çevredeki hava basıncından dolayı çökeceğini gösteriyordu.
Ancak araştırmacılar, yüksek dayanıklılık ve hafifliğin kombinasyonunu gerektiren kullanımlar için geliştirilen bu materyalin muhtemel diğer uygulamalar için de mümkün olabileceği düşüncesindeler. Buehler’e göre grafeni ya da polimerler veya metaller gibi diğer malzemeleri kullanarak araştırma ekibinin bulduğu geometriden faydalanmak mümkün. Maliyet, işleme yöntemleri veya diğer malzeme özelliklerinin (şeffaflık veya elektrik iletkenliği gibi) sağladığı avantajlarla birlikte mukavemetinin yüksek olması da kullanım oranını oldukça arttıracaktır.
Buehler, “Materyalin kendisini herhangi bir şeyle değiştirebilirsiniz” diyor. “Burada geometri baskın bir faktördür. Bu, birçok şeye aktarım yapma potansiyeline sahip bir modeldir.”
Grafen’in ısı ve basınç altında doğal olarak oluşturduğu olağandışı geometrik şekiller Nerf topuna benzer, ancak deliklerle doludur. Buehler, jiroidler olarak bilinen bu şekillerin oldukça karmaşık bir yapıya sahip olduklarından geleneksel üretim yöntemlerini ile oluşturulmalarının muhtemelen imkânsız olduğunu dolayısıyla binlerce kez büyütülmüş bu yapılar için 3D baskılı model kullandıklarını belirtiyor.
Gerçek sentez için araştırmacılar, bir olasılığın da şablon olarak polimer veya metal parçacıklarını kullanması olduğunu söylüyorlar. Isı ve basınç muameleleri öncesi kimyasal buhar birikimi sayesinde grafen ile şablon kaplanır sonrasında kimyasal ya da fiziksel işlemlerle polimer veya metal fazları ortamdan uzaklaştırılarak 3D formunda grafen elde etmek mümkündür. Bunun için, mevcut çalışmada verilen hesaplama modeli, sentez çıktısının mekanik kalitesini değerlendirmek için bir kılavuz niteliğindedir.
Aynı geometri, büyük ölçekli yapısal malzemelere bile uygulanabilir. Örneğin köprü gibi bir yapı için beton bu gözenekli geometri kullanılarak hazırlanabilir. Böylece ağırlık ile karşılaştırılabilir bir mukavemet sağlanmış olunur. Bu yaklaşım doğrultusunda, geliştirilen malzemenin içerisindeki kapalı hava boşlukları sayesinde iyi bir yalıtımın sağlanması da mümkün olacaktır.
Geliştirilen bu yeni malzeme, çok küçük gözenek boşlukları ile parçalanmış olduğundan bazı filtrasyon sistemlerinde su veya kimyasal işleme için de uygulanabilir. Araştırma ekibi tarafından türetilen matematiksel tanımlamalar ile çeşitli uygulamaların geliştirilmesi kolaylaşarak malzemenin kullanılabilirliği artacaktır.
Brown Üniversitesi mühendislik profesörlerinden olan Huajian Gao; “Bu, üç boyutlu grafen mekaniği konusunda oldukça ilham verici bir çalışmadır.” diyor. Ayrıca “Bu makalede kullanılan hesaplamalı modellemenin 3D baskı temelli deneylerle kombinasyonu, mühendislik araştırmalarında güçlü yeni bir yaklaşım getirecektir. Üç boyutlu baskılama yardımıyla nano ölçekli simülasyonlardan başlangıçta türetilen ölçekleme yasalarının makro ölçekli deneylerde yeniden ortaya çıktığını görmek etkileyicidir.” diyerek çalışma hakkındaki görüşlerini dile getiriyor.
Gao’ ya göre bu çalışma, iki boyutlu malzemelerin mukavemeti ile malzeme tasarımının gücünü bir araya getirmenin umut verici bir yönünü göstermektedir.
Gerçekleştirilen bu araştırma; Denizcilik Araştırmaları Ofisi, Savunma Bakanlığı Multidisipliner Üniversite Araştırma Girişimi ve BASF-Kuzey Amerika Araştırma Merkezi tarafından desteklenmiştir.
Kaynak : mit.edu
