Dünya üzerindeki en güçlü ve dayanıklı hususiyette yaratılan biyolojik malzeme ne olabilir?

Yıllar boyunca en güçlü biyomalzemenin örümcek ipliği olduğu düşünülmekteydi. Fakat bu rekor, minicik bir yumuşakça tarafından kırıldı. Bahsedilen harikulade eser, bir tür deniz salyangozuydu (Patella vulgata).Geniş koni kabuğu olan, 0,05–2 cm boyutlarındaki bu canlı, karından bacaklılar sınıfındandır.

Yapılan araştırmalarda; deniz salyangozu dişlerinin gerilme direncinin, örümcek ipliğininkinden daha yüksek değerlere ulaştığı ve sadece en güçlü ticari karbon liflerle karşılaştırılabilir seviyede olduğu tespit edildi.Tutunduğu kayalardaki algleri kazıyarak beslenen deniz salyangozlarında, dişlerin 3 ila 6,5 GPa (gigapaskal) arasında gerilme direnci gösterdiği ortaya çıktı. Örümceğin ipeğinde ise bu değer, yaklaşık 1,3 GPa’dır. Bilim insanları, deniz salyangozu dişlerinin, karbonu elmasa dönüştürecek boyuttaki basınca bile dayanabildiğini ifade etmektedir. Elektron mikroskopuyla yapılan çalışmalarda, yaklaşık 100 μm (mikrometre) uzunluğundaki her bir dişin, bu boyuttaki hiçbir materyalde karşılaşılmamış derecede mukavemetli yaratılmış olduğu belirlenmiştir.

Bu sıra dışı dayanıklılık; bilim insanlarını dişlerin yapısı ve işleyiş mekanizması üzerinde araştırmalara yöneltti. Yapılan çalışmalar, hayranlık uyandıran neticeleri gözler önüne serdi.

BESLENME MEKANİZMASINDA DİŞLERİN VAZİFESİ 

Deniz salyangozlarının, kayalardan besin kazıyıp koparabilmeleri için kendilerine ihsan edilen, “radula” isminde hareketli dilleri vardır. Radulanın en önemli hususiyeti, üzerinde 100 sıradan fazla, demir mineralli diş ihtiva etmesidir. Fakat bunlardan beslenmede kullanılanlar, sadece en dış kısımdaki 10 sıra dişten ibarettir. Beslenmede, şöyle muazzam bir mekanizma işlemektedir: Canlının dişleri, sert yüzeyden kazımayı kolaylaştıracak şekilde, olgunlaşma ve aşınma durumlarına göre sürekliyeniden konumlandırılmaktadır. Aşınan dişler; 12 ile 48 saatlik süreçlerde, yeni olgunlaşan dişlerle yer değiştirilmektedir.

Bu harikulade yer değiştirme sistemi, taşıma bandı üzerindeki hareket mekanizmasına benzer şekilde işlemektedir. Bu mekanizmada dişler, öncelikle radulanın arka kısmında büyümeye başlar. Bu esnada da demirle mineralize edilerek güçlendirilir ve olgunlaştırılırlar. Mineralizasyon tamamlanınca, radulanın ön kısmına doğru hareket ettirilirler. Böylece en öndeki kazıma bölgesinde, sürekli olarak tamamen olgunlaşmış dişler tutulmuş olur. Kazıma sürecinde ise, olgunlaşmış dişler büyüme hızına eşit oranda aşınır. Fakat bu sırada Sonsuz Rahmet, minik canlının imdadına yetişir ve yeni bir diş dizisi büyümeye başlar. Bu muhteşem döngü vesilesiyle, beslenmede hiçbir aksama olmayacak şekilde sürekli yeni dişler yaratılıp olgunlaştırılarak göreve hazır hale getirilir.

 BİYOMİNERALİZASYON

Deniz salyangozu dişlerinin yapısı da malzeme bilimi açısından bir şaheserdir. Dayanıklılığı ile göz kamaştıran dişlerin yapısı, kaya yüzeyinden parçalar koparırken optimum güç sağlayabilecek şekilde yaratılmıştır.

Dişlerin biyomineralizasyon mekanizması kesin olarak bilinmemekle birlikte, çözünme-yeniden çökelme tepkimeleri içerdiği düşünülmektedir. Mineralize edilmemiş matris incelendiğinde, aralarında sadece birkaç nanometrelik uzaklık bulunan, iyi düzenlenmiş ve yoğun paketlenmiş kitin lifler gözlenmektedir. Matris, farklı malzemelerin bir araya getirilmesiyle imal edilen malzemelerde takviye edici malzemeyi bir arada tutan yapıdır. Bu organik matris, dişlerin yapısındaki kristalleşme için çerçeve görevi görür. Mineralizasyon sisteminde, öncelikle, temel makromolekül olanα-kitin bileşeni yaratılmaktadır.  Akabinde çökelen ilk mineral, kitin liflerine paralel olarak kristalleşme gösteren “goethite”, yani sulu demir-oksit mineralidir.  Bu kristaller, kitin lifleri üzerinde çekirdeklenmekte ve liflerin itilip çekilmesi ile aralarında şekillendirilmektedir. Bu şekilde intizamla yerleştirilen kristaller vasıtasıyla, yapının biyomineralizasyonu gerçekleştirilmektedir.

Genel yapı hacminin % 80’ini, bu kristallerin teşkil ettiği tespit edilmiştir. Kristaller ve kitin matrisi arasındaki boşluk ise, amorf silika (SiO2) ile doludur. Sulu demir-oksit mineralinin ihtiva ettiği demir ise bileşimin en büyük oranını oluşturan metaldir. Sodyum, potasyum, kalsiyum, bakır gibi diğer metaller, coğrafi konuma göre değişik oranlarda yer almaktadır.

DAYANIKLILIKTA KRİTİK FAKTÖRLER

Canlının dişlerinin çok yüksek dayanıklılık göstermesinin sebeplerinden en önemlisi, dişlerdeki sulu demir-oksit minerallerine ait liflerin, nano ölçekte olmasıdır.Çünkü bu boyutlardaki malzemeler, mukavemet gücünü azaltan şartlardan etkilenmez.

Dayanıklılık için diğer bir kritik faktör ise; bahsi geçen liflerde, kritik lif uzunluğunun küçük olmasıdır. Kritik lif uzunluğu; bir malzemenin dış yüklenme sırasında gerilimi matristen liflere aktarmak için gereken uzunluğu tanımlayan bir parametredir. Liflerde maksimum gerilimi elde etmek için, lif uzunluğu, kritik uzunluktan daha büyük olmalıdır. Kritik lif uzunluğu büyük olan malzemeler, matrisi pek takviye edemez. Çünkü gerilimin büyük kısmı, liflere aktarılmaz ve matris üzerinde kalır. Kritik lif uzunluğu küçük olan malzemeler ise, matris üzerindeki gerilimi liflere aktarabilirler. Bu sebeple, matris için etkili bir takviye vazifesi görürler.

Sulu demir-oksit minerallerinden müteşekkil lifler, 420 ila 800 nanometrelik kritik bir uzunluktadır. Bu da dişlerdeki liflerin yaklaşık 3.1 µm(mikrometre) uzunluğundan çok daha küçük bir değerdir.  Bu durum, nano liflerinin, matris için etkili bir takviye edici olduğunu ve dişlerin yük taşımasına büyük ölçüde katkıda bulunduğunu göstermektedir.

Deniz salyangozu dişlerinin yapısı ve bileşimi yanında, morfolojik şekli de dayanıklılıkta önem taşır. Gerilimin diş boyunca eşit bir şekilde dağıtılmasını sağlar.

BİYOMALZEMELERİN MODELLENMESİ

Bütün bu çalışmalar, tabiatta yüksek mukavemet özelliği gösteren kompozitlerin varlığına işaret etmektedir. Kompozit, birbirinden farklı fizikîhususiyetlere sahip iki veya daha fazla malzemenin bir araya getirilmesiyle imal edilen bir malzemedir.

Aşınmaya karşı çok dirençli ve güçlü bir biyomalzeme olarak yaratılmış olan deniz salyangozu dişleri, mühendislik ve malzeme bilimi için ilham kaynağı olmaktadır. Muhtevası ve tasarımı gibi hususiyetlerinin, dayanıklılık ve sertlik gerektiren uygulama alanlarında modellenmesi beklenmektedir.

Minik deniz salyangozları, mühendislik alanlarına mesajlar verirken, bizlere de değerin her zaman büyüklükte olmadığını, küçücük şeylerin bazen büyüklerden çok daha fazla hususiyet taşıdığını göstermektedir.

Kaynaklar

Barber, Asa H., Dun Lu ve Nicola M. Pugno,Extreme Strength Observed İn Limpet Teeth,  Journal of The Royal Society Interface, April 2015, DOI: 10.1098/rsif.2014.1326, PubMed.
World’s Strongest Natural Material Discovered, How It Works, Imagine Publishing, No. 71, s. 11.
en.wikipedia.org/wiki/Limpet
www.iflscience.com/plants-and-animals/worlds-strongest-natural-material-limpet-teeth/
www.newworldencyclopedia.org/entry/Limpet