Tarih boyunca malzemelerdeki ve malzeme teknolojilerindeki gelişmeler insanlığı etkilemiştir. Bugün, belki de bu tür teknolojilerdeki yeni bir dönüşümün eşiğindeyiz; mümkün olabileceğini hiç düşünmediğimiz ürünler ve fonksiyonlarla karşılaşıyoruz.
Endüstrinin talepleri, malzemelerin daha hafif, daha sert, daha ince, daha yoğun ve daha esnek veya rijit ve aynı zamanda ısıya ve aşınmaya karşı daha dayanıklı olmalarını gerektiriyor. Aynı zamanda, araştırmacılar mümkün olduğunu hayal ettiğimiz şeylerin sınırlarını zorluyorlar; bir yandan mevcut malzemeleri iyileştirip mükemmelleştirmeye çalışırken diğer yandan da günlük yaşamda yer bulması yıllar alacak olsa da bizi tamamen yeni teknolojik alanlara taşıyacak yepyeni malzemeler oluşturuyorlar.
Sınır yok
Bugün gördüğümüz araştırmalara dayanarak, uygulamalı malzeme biliminin yeni ve neredeyse bilim kurguya benzer yönlerde ilerlediğini söyleyebiliriz. Süregelen kaynak yetersizliği nedeniyle yenilikler yapmak ve alışılmışın dışında bir düşünce tarzına sahip olmak gerekiyor. Malzemeler cephesinde, düşük ağırlık, yüksek güç ve yüksek dayanıklılık gibi istenen özelliklere sahip kompozitlerin daha büyük bir pazar payına sahip olacağını ve ihtiyacın artmasına paralel olarak bu malzemelerin giderek daha büyük bir bölümünün yenilenebilir kaynaklardan sağlanacağını tahmin edebiliriz. Bu alanda en fazla umut veren malzeme grafendir.
Grafen, tek atom kalınlığındadır (insan saçından 1 milyon kat ince) ancak çelikten (ağırlığına göre) 200 kat güçlü, son derece esnek ve süper hafiftir; neredeyse şeffaftır ve ısıyı ve elektriği mükemmel iletir. Efsanelere kaynak olan madde işte budur.
Gerçekten de, Çin'in Tianjin kentindeki Nankai Üniversitesi'ndeki bilim insanları kısa bir süre önce grafenden yapılmış bir süngerin ışığı enerjiye çevirebildiğini buldular. Böylece, insanoğlunun yakıtsız, sadece güneş ışınlarıyla çalışan uzay gemisi hayaline bir adım daha yaklaşılmış oldu.
Grafen devrimine doğru
Grafen, İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'nde profesör olan Andre Geim ve Kostya Novoselov tarafından 2004 yılında kurşun kalemler ve yapışkan bantla deneyler yaparken neredeyse bir tesadüf sonucu bulundu. 2010 yılında Geim ve Novoselov, Grafen üzerindeki araştırmalarından dolayı Nobel Fizik Ödülünü kazandılar. Ardından, Avrupa Birliği konuyla ilgili ticari uygulamaların geliştirilmesini hızlandırma amacını taşıyan Graphene Flagship'i desteklemek için 1 milyar euro ayırdı. Potansiyel uygulama alanları su arıtmadan enerji depolamaya ve ev eşyaları, bilgisayarlar ve diğer elektronik ürünlere kadar uzanır. Aynı zamanda, grafenle ilgili patentlerin sayısı binleri bulsa da ürünün üretim maliyeti nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanımı sınırlı kalmıştır; fakat bu durum değişebilir. Glasgow Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, önceki üretim yöntemine göre yaklaşık 100 kat daha ekonomik bir yöntemle büyük grafen levhaları üretmenin bir yolunu buldular.
Bu konuda yapılan çalışmalar sonucunda geliştirilebilecek ürünlerden biri de, protez uzuvlar kullanan kişilerde dokunma hissi sağlayabilecek sentetik deridir. Glasgow Üniversitesi'ndeki araştırmayı yöneten Dr. Ravinder Dahiya şöyle diyor: "Grafen, protez kullanan kişilere bugün en gelişmiş protezlerin bile başaramadığı bir biçimde duyu hissi verebilecek olağanüstü esnek ve iletken bir yüzey oluşturmaya yardımcı olabilir."
Metallerin sonu geldi mi?
Metaller, tarih çağlarına damga vurdu ve endüstrinin lokomotifi oldu. Böyle uzun bir döneme yayılan kullanım nedeniyle büyük bir bilgi ve uzmanlık birikimi ortaya çıktı; ancak bilim insanları ve araştırmacılar bu malzemelerin sınırlarını genişletmek için sürekli çalışmaya devam ediyorlar. Bu araştırmalarda ön plana çıkan nano malzemeler yardımıyla metaller daha iyileştiriliyor ve yeni uygulama alanları açılıyor. Metal matrisli nanokompozitler (kısmi olarak karbon nano borularından veya nano partiküllerinden oluşan kompozitler) havacılık endüstrisi için hem ağırlık azaltma hem de daha güçlü ve daha sert malzemeler sağlama konusunda bir çığır açabilir.
Kırıldıysa bırak kendi kendine düzelsin
Nanokompozit araştırmaları, tıpkı insan vücudunun kendini iyileştirmesi gibi, kendi kendini tamir edecek malzemeler oluşturmanın da yolunu açıyor. Amerika Birleşik Devletleri'nin Illinois Üniversitesi'ndeki Beckman Enstitüsü Otonom Malzeme ve Sistemler Grubu (Beckman Institute’s Autonomous Materials Systems Group) araştırmacıları bir arıza saptandığında malzemenin içine karışıp polimerizasyon sağlayacak tedavi edici maddeler içeren ve böylece kendi kendini tamir etme özelliğine sahip fiber-kompozit malzemeler üzerinde çalışmalar yürütüyor.
“Kendi kendini tamir eden malzemeler geliyor,” diyor malzeme bilimci Mark Miodownik. Şimdilik teknik açıdan mümkün olan şeyler ekonomik açıdan makul olmaktan çok uzak, ancak aracın ve yolcuların güvenliği için uçak kanadından bisiklet şasisine ve otomobil parçalarına kadar her şeyin çalışma sırasında onarılabilmesi mümkün görülüyor. Böyle bir durum, ürün geliştirme, kullanım ömrü ve sürdürülebilirlik üzerinde çok büyük bir etki yapacaktır. Araştırmacıların üzerinde çalıştıkları bir diğer konu da, bir otoyolda tamirat gerektiğinde işi başından aşkın ve yeterli personele sahip olmayan bir bakım ekibinin gelmesini beklemek yerine yolun kendi kendini tamir etmesini sağlayacak malzemelerdir.
Doğadan daha iyisini yapmak
Geçen binlerce yıl içinde malzeme bilimi, esasen doğada var olan malzemelerin rastlantısal olarak keşfedilmeleri sayesinde ilerledi. Araştırmacılar günümüzde doğal dünyanın ötesinde olanları araştırıyorlar; birkaç konvansiyonel malzeme veya malzeme parçasını bir araya getirip özlerinde var olan yapıya veya desene odaklanarak sonuçta doğada olmayan veya henüz keşfedilmemiş özellikler yaratıyorlar.
Bu tür geliştirmelerden biri sırt biçimli yapıların köpekbalığı derisine benzeyecek biçimde düzenlenmesidir. Sharklet adı verilen ve bakterilerin birikmesini ve bulaşmasını önleyen bu mikro desen hastanelerde ve sağlık merkezlerinde kullanılmak üzere geliştiriliyor.
Malzemeler konusundaki diğer bir geliştirme ise görünmezlikle ilgilidir. Çeşitli ülkelerde fizikçiler objeleri görünmez hale getirme umudunu veren nano malzemeler üzerinde çalışıyorlar. Objelerin üzerine kaplanan bu malzemeler ışık gibi elektromanyetik radyasyonları objenin çevresinden ilerleyecek biçimde eğebilecek ve böylece objenin orada olmadığı yanılsamasını oluşturabilecekler.
Esas itici güç olarak sürdürülebilirlik
Malzeme bilimi, yeni malzemelerin geliştirilmesi ve mevcut malzemelerin iyileştirilmesi, kaynak yetersizliği ve sürdürülebilirlik gibi alanlarda çok önemli rol oynayacaktır. Örneğin, ışığı emebilen yapı malzemeleri gibi yeni malzemeler, küresel ısınmayla mücadelede yarar sağlayabilir.
Yeni bir çağın eşiğinde olduğumuz görünüyor; bu çağa damgasını vuranlar sadece dijitalleşme ve Nesnelerin İnterneti olmayacak; aynı zamanda geleceğimizi daha kolay, daha güvenli ve daha fazla sürdürülebilir hala getirecek yeni malzemeler de bu çağda önemli bir rol oynayacak. Gerçekten, sınır yok.
