Ana sayfa Bilim Gündemi Hayal edin gerçek olsun: Metal deriler ve kullandıkça güçlenen makineler

Hayal edin gerçek olsun: Metal deriler ve kullandıkça güçlenen makineler

920
PAYLAŞ
Kaynak: Getty Images.

Nıvart Taşçı

Geçtiğimiz haftalarda biri Amerika kıtasından diğeri Japonya’dan iki yeni süper-malzeme haberi bilim dergilerinin sayfalarını süsledi. İkisi de ilhamını insan vücudunun çeşitli yapılarından alıyor. Ama ikisi de, en azından kuramsal düzeyde, kendilerine başlangıç ivmesini kazandıran bu yapıların çok ötesine geçecek gibi duruyor. ABD-Kanada ortak yapımı olandan başlayalım…

Düşünün ki deriniz sadece sıcaklık farklarını, baskıyı ya da titreşimleri değil ses dalgalarını ve hatta etrafımızı saran manyetik alandaki dalgalanmaları da hissedebiliyor. Çizgi roman kahramanlarının sahip olduğu süpergüçlere benziyor değil mi? Elbette Connecticut ve Toronto Üniversitelerinden araştırmacılar tam da bu özelliklere sahip bir tür yapay deri üzerinde çalışmaya başlarken akıllarından geçen fantastik senaryolar değil, kaza sonucu deride hissiyat kaybı yaşayan insanların ihtiyaçlarıydı. Fakat geliştirdikleri malzeme başlangıç deneylerinde o kadar başarılı sonuçlar verdi ki kullanım alanıyla ilgili yeni tasarılar geliştirmemek elde değil… Peki nedir bu malzeme?

Bir tür metal deri diyebiliriz. Islam Mosa, James Rusling ve Abdelsalam Ahmed üçlüsünün imza attığı, Advanced Materials dergisinin 21 Ocak sayısında tanıtılan malzemenin çıkış noktası doğrudan derinin kendisi. Derinin dokunma hissini taklit etmesi hedeflenen bu sensör nispeten basit bir çalışma ilkesi üzerine inşa edilmiş. Buna göre bakır tele sarılı bir silikon borunun içi metrenin milyarda biri büyüklüğünde minik demir oksit parçacıklarından (nanopartiküllerden) oluşan özel bir sıvıyla doldurulmuş. Partiküllerin tüpün iç çeperlerine sürtündükçe elektrik akımı üretmesi, silikonu çevreleyen bakır telin de bu akımı sinyal olarak algılaması hedeflenmiş. Nitekim mesela silikon tüp baskı yaratan bir uyarana maruz kaldığında, nanopartiküllerin gerçekten de belli bir şekilde hareket ederek elektrik sinyallerini değiştirdiği ve bunun bakır tel tarafından algılandığı bir düzenek oluşturulabilmiş. Her uyaranın nanopartiküllerde yaratacağı etki farklı olacağından hareketler ve uyaranlar arasında çok ince ayrımların yapılabilmesi, hatta başta hedeflenmeyen biçimde skalaya manyetik alanın ve ses dalgalarının da eklenmesi mümkün olmuş. Öyle ki yanık kurbanları ya da protez uzuv taşıyanlar gibi deri duyarlılığını kaybetmiş kişilerin yeniden “hissedebilmelerini” sağlamanın yanı sıra örneğin, tehlikeli düzeyde manyetik alana maruz kalan işçiler için bir tür giyilebilir uyarı sistemi oluşturmak gibi özel kullanımlar da tasarlanmaya başlanmış. Yapay deri halen deneme aşamasında, fakat tüm testlerden geçtiğinde sıra sensöre yassı bir form kazandırıp tam anlamıyla deri gibi işlev görmesini sağlama işine gelecek. O zaman da yukarıdaki süpergüç senaryoları hayal olmaktan belki de çıkacak, kimbilir…

Yeni bir makine mantığı
Dümeni Japonya’dan gelen icada kırdığımızda kendimizi derinin biraz daha altında, iskelet kaslarında buluyoruz. Zira bu seferki makinemiz çalışma ilkesini iskelet kaslarının gelişim mekanizmasından alıyor. Amaç tıpkı spor yaptıkça güçlenip gelişen kaslar gibi kullandıkça güçlenen ve dayanıklılığı artan bir malzeme ortaya çıkarmak. Hokkaido Üniversitesi’nde çalışmalarını sürdüren biliminsanları görünen o ki bunu başardı ve sonuçlar Science dergisinin 1 Şubat sayısında yayımlandı.

Çift ağlı hidrojel (i). Gerilme halinde (ii), sert polimerde kırılma meydana geliyor. Bu da, renk değişimiyle gösterilmiş olan mekanoradikalleri açığa çıkarıyor (iii). Kaynak: Gong J. P. et al., Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training, Science, February 1, 2019.

Dışarıdan gelen mekanik strese güçlenerek cevap veren, böylece kendini çevreleyen koşullara giderek daha güçlü biçimde uyum sağlayan bu malzemenin adı “çift ağlı hidrojel” (double-network hidrogel). Bu ifadenin ne anlama geldiğini daha iyi kavramak için dayandığı ilkeden, yani kasların gelişim mekanizmasından kısaca bahsetmek gerekiyor. Spor yaparken (özellikle de ağırlık çalışırken) kasa uygulanan ritmik gerilim mevcut kas liflerinin yıkıma uğrayarak yerlerini yeni ve daha güçlü/uzun liflere bırakmasıyla sonuçlanır. Ancak kas bunu yapabilmek için amino asit denen protein yapıtaşlarıyla beslenmek durumundadır çünkü kası oluşturacak lifler bu proteinlerin birleşmesiyle meydana gelir. İşte çift ağlı hidrojel denen malzeme tam olarak bu mekanizmanın bir yansıması. Bunun için önce %85 su ve biri sert-kırılgan, diğeri yumuşak-sıkıştırılabilir iki çeşit polimer ağından yapılmış bir ana gövde tasarlanmış. Ardından bu iskelet, monomer denen, birleşip polimer oluşturma yetisine sahip parçacıklarla dolu bir sıvı ortama konmuş. Kas ve hidrojel arasındaki paralelliği görebiliyor musunuz? Çift polimer ağı ve su bileşiminden oluşan hidrojel iskelet kasını, içinde bulunduğu monomer dolu sıvı ortam ise iskelet kaslarına amino asit taşıyan kan dolaşımını temsil ediyor.

Çalışma raporunda belirtildiğine göre hidrojele germe kuvveti uygulandığında -ki bunu mümkün kılan hidrojelin yumuşak-sıkıştırılabilir yapıdaki polimer bileşenidir-, tıpkı kas liflerinde olduğu gibi, sert-kırılgan yapıdaki polimer bileşenin zincirlerinde kırılma meydana geliyor. Bu da kırık polimer zincirinin ucunda “mekanoradikal” denen bir kimyasal ortaya çıkarıyor. Mekanoradikaller monomerlerin hidrojel ile bütünleşip polimer ağına katılmalarını, böylece malzemenin kelimenin gerçek anlamıyla “güçlenmesini” sağlıyor. Öyle ki germe hareketi arttıkça, tıpkı kasın güçlenme sürecinde olduğu gibi, yıkım ve yapım da artıyor. Nitekim deneylerde hidrojelin 1,5 kat güçlendiği; sertliğinin 23 kat, dolayısıyla ağırlığının %86 oranında arttığı saptanmış. Bu müthiş malzemenin hedef kitlesini giyilebilir ve destekleyici bir materyale en fazla ihtiyaç duyan kesim, yani iskelet hasarı olan kişiler oluşturuyor. Kullandıkça güçlenen ve işlevselliği artan bu malzeme şimdiye kadar alıştığımız makine mantığını adeta baş aşağı çeviriyor.

Kaynaklar:

1) Kim Krieger, UConn Communication, “Artificial Skin Could Give Superhuman Perception”, 22 Ocak 2019.

2) Hokkaido University, Research Press Release, “Self-Growing Materials that Strengthen in Response to Force”, 1 Şubat 2019.