Kristal; organik yapılar haricinde, bir seri ve simetri oluşturacak şekilde sıralanan madde yığınıdır. Taş, metal, cam ve plastik gibi maddelerin atom ve molekül dizilimi kristal yapıdadır. Bu araştırma alanında ve özelleşmiş yan dallar olan kristal ve yoğun madde fiziğinde, fizikçi ve mühendisler geliştirdikleri malzemeleri insanlığın hizmetine sunmaktadır.
Son 20 yılda malzeme bilimi, teknoloji alanında çığır açmıştır. Endüstride farklı maden, mineral ve alaşımlardan istifade edilmektedir. Ayrıca ısı, ışık, nem ve pH gibi şartların değiştirilmesiyle istenilen şekli alan hafızalı metal alaşımlar, yaygın olarak kullanılmaktadır. Söz konusu metal alaşımlar, fizikî şartlara göre şekil değiştirebilmekte, kıvrılıp katlanabilmektedir. Metal alaşımı, homojenleştirme sırasında, hangi şekle gelmesi arzu edilirse o şekli alabilmektedir. Buna ek olarak elektrik akımı, manyetik alan veya kimyevî bir uyaran tarafından tetiklenen metal alaşım, istenilen şekline geri dönmektedir.[1]
Bilindiği gibi, madde katıdan sıvıya, sıvıdan da gaz formuna geçebilecek şekilde yaratılır. Bu dönüşüm tersine çevrilebilir olduğundan buhar hâlindeki madde, sıvı ve katı hâline dönebilir. Şekil hafızalı metal alaşımlarda bu değişim; katı, sıvı ve gaz hâline dönüşmeden gerçekleşir. Bu hadise, kristallerin dizilim düzeninin değiştirilmesiyle gerçekleşir.
Şekil hafızası olan en meşhur alaşım titanyum nikeldir. Bu ürünün pahalı olması sebebiyle demir, alüminyum ve bakır bazlı alaşımlar üzerinde, farklı ülkelerde çok sayıda akademik araştırma yapılmaktadır. Bir bakıma teknolojinin geleceği, bu malzemelerin geliştirilmesine bağlıdır. Dijitalleşmede ve robotik teknolojide sensörler önemli bir rol oynar. Bu alıcıların geliştirilmesinde şekil hafızalı alaşımlardan istifade edilir.
Şekil hafızası, belli kanun ve kıstaslarda gerçekleşir. Bu tür alaşımlardaki temel yapı, “östenit” olarak adlandırılır. Östenit yapıyı, yani metal atomlarının hangi sıcaklık ve baskı altında nasıl bir kristal şekil alacağını mühendisler belirler. Alaşımın sıcaklığı değiştiğinde ya da malzemeye kuvvet uygulandığında şekli değişir. Bu değişim, “martensitik dönüşüm” veya “ikizlenme” olarak adlandırılır. Bu durum geçicidir; baskı veya sıcaklığın ortadan kalkmasıyla metal atomları eski yerlerini alır. Buna da “faz dönüşümü” denir.[2]
Malzemelerdeki bu hususiyet, bilim insanlarının ilgisini çekmiştir. Günümüzde bu tür malzemeler; havacılık ve uzay çalışmalarında, optik, tıp, elektronik, tekstil, robotik ve araştırma aşamasında olan soğutma teknolojilerinde kullanılmaktadır.
Şekil hafızalı malzemelerden tıbbî uygulamalarda, kalb ve damar cerrahisinde yaygın bir şekilde istifade edilmektedir. Damarlara stent takma işlemi, şekil hafızalı alaşımlarla gerçekleşmektedir.
Bu malzemeler biyomedikal olarak organizmaya uyumludur. Bu uyumluluk her geçen gün artmaktadır. Mesela pahalı titanyum nikel alaşımına bakır ilavesinin, organizmaya zarar vermediği gösterilmiştir.[3]
Stent tekniği, kalb ve damar cerrahisi yanında prostat rahatsızlıklarında da kullanılmaktadır. Şekil hafızalı metal alaşımla üretilen bir stent, damar tespit edilerek kılavuz ve bir baloncuk yardımıyla tıkalı damara yerleştirilir. İstenilen konumdaki stent, şekil hatırlama özelliğinden dolayı şemsiye gibi açılır ve kapalı olan damarda veya boşaltım sisteminde, sıvı akışını normal hâle getirir. Bu teknikle kandan pıhtı toplama işlemi de gerçekleştirilir. Bu sayede beyin ve kalb damarlarını tıkama riski taşıyan pıhtı ve yağ zerrecikleri gibi büyük moleküllü yapılar tutularak damardan bertaraf edilir.
Şekil hafızalı malzemeden yapılan kolonoskopi ve endoskopi cihazları, geleneksel vücut tarama mekanizmalarının yerini alacak gibi görünmektedir. Dişlere takılan düzeltici teller de şekil hafızasına sahip metal alaşımından yapılmıştır. Vücut ısısında istenilen şekli hafızasında tutan metal alaşım, çene ve dişlerin düzeltilmesinde kullanılır.[4]
Gözlük çerçevelerinde de elastik yapıda şekil hafızalı alaşımlar kullanılır. Gözlüğün çerçevesi her esneme durumunda ilk aldığı şekli hatırlayarak eski haline döner. Bu sayede çerçevede eğilme veya kırılma olmadığı gibi, kişiye rahat hareket etme imkânı da sağlanır.
Yüksek hızda çalışan sistemlerde belirli devirlerden sonra sıcaklık artar. Parçaların dönüş hızlarının farklı olması, yağlamanın da farklı olmasını gerektirir. Bu problemin çözümünde şekil hafızalı metal alaşımların supap sistemine yerleştirmesiyle sonuç alınmıştır. Armatür sisteminde bu teknolojinin kullanılmasıyla su israfının önüne geçilmiştir. Bu uygulama hızlı trenlerde, uçak ve mekik teknolojisinde kullanılmaktadır. NASA şekil hafızalı malzemeleri, uzay ve havacılık teknolojisinde, öncelik verdiği ilk 10 araştırma sahası arasında görmektedir. Uzay mekiklerinde yapısal bağlantı elemanları, titreşim sönümleyiciler, değişken hava ve sıvı akışkanlarda kanat ve motor valfleri gibi mekanizmalar, şekil hafızalı alaşımların havacılık alanındaki uygulamalarına örnek olarak verilebilir. Aslında bu teknolojinin kullanıldığı uçaklarla seyahat etmekteyiz. Türbülansa giren bir uçak, adeta insan bedeni gibi esnemekte, soğuk hava kütlelerine göre şekil alarak parçaların zarar görmesini engellemektedir.[5]
Hafızalı metal alaşımlarının şekil değiştirmesi termal bir hadisedir, dolayısıyla bahsedilen atom kristallerinin hareket ihtiyacı için ısı absorbe etmesi, bu teknolojinin soğutma tekniklerinde de kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Ayrıca termal hareket sayesinde elektrik enerjisi de üretilebilir.[6]
Anten teknolojisinde de hafızalı metal alaşımlarından faydalanılmaktadır. Uyarlanabilir antenlerdeki geçiş tekniği, bu malzemelerin kullanımı ile gerçekleşmektedir.[7]
Hafızalı malzemeler, giyim ve tekstil endüstrisinde de kullanılmaktadır. Giyilen kıyafetler vücut sıcaklığı ile birlikte arzu edilen şekli alarak vücut ölçülerine uymaktadır. Bu durum, pamuk lifleri ile nitinol hafızalı alaşımın birlikte dokunması ile üretilen bir kumaş yardımıyla olmaktadır. Bu özel kıyafetler, itfaiyeciler tarafından da kullanılmaktadır. İtfaiyeci sıcağa maruz kaldığında, sırtındaki özel kıyafetin dokularının, sıcaklıkla büzüşen metal doku ile birlikte sıklaşarak itfaiyeciyi %30 daha iyi koruduğu tespit edilmiştir.
Şekil hatırlama tersine çevrilebilir olduğundan soğukta dokusu sıklaşan kumaşlar da tasarlanmıştır. Isı kaybeden kumaştaki ince metal karışım, kumaşı büzerek gözeneklerini küçültür, böylelikle vücudun ısı kaybı önlenir. Hafızalı alaşımlar, kış şartları için savunma sanayiinde, araştırma ekipmanlarında ve tarımda kullanılabilir.[8]
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki bir araştırma ekibi, metallerden ilham alarak başka materyallerin esneklik ve şekil hatırlama özelliğini inceledi. Bu çalışmada, kırılganlığı ile bilinen seramik malzemelerden şekil hatırlama özelliği olan malzemeler keşfedildi. Seramikler mikro elektronikte yalıtım için kullanılmaktadır. Bu sayede araştırmacılar, esnek ve dayanıklı mikro cihazlar üretmeyi planlamaktadır. Ayrıca bilim insanları, vücutta kullanılacak nano robotlar için bunun iyi bir fırsat olduğunu değerlendirmekte, seramikte tanelerin ısıl hareketi ile oluşacak güçlü itme kuvveti ile mikroaktivatörlerin, vücudun işlem yapılmak istenen bölgesine daha etkili bir şekilde ulaşabileceğini düşünmektedirler.[9]
Kâinatın işleyişinde İsm-i Hafîz’in muhteşem tezahürleri, dikkatli nazarları celbeder. Bitkiler ve hayvanlar görevlerini unutmadan yerine getirir. Güneş, Ay ve gezegenler yörüngelerinden sapmaz. Kâinat, kader programına göre işletilir. Her şey hıfzedilir; hiçbir şey kaybolmaz. Vazifesini tamamlayan canlı ve cansızlar, zahirî vücutlarını bırakıp gizlenir, ama mânâları ve manevî vücutları muhafaza edilip sonsuza mal edilir.
Dipnotlar
[1] Çelik, A., “Şekil Hafızalı Alaşımlar ve Tekstil Malzemelerindeki Uygulamaları” Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir.
[2] Erdoğan, O. “NiTi Şekil Bellek Alaşımların Süperelastik Özelliklerinin Termo-Mekanik İşlemler” Y. Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara 2015.
[3] Li, H. ve ark. Design and development of novel antibacterial Ti-Ni-Cu shape memory alloys for biomedical application. Sci Rep 6, 37475 (2016). doi.org/10.1038/srep37475
[4] Acar, E., “Havacılık ve Uzay Uygulamalarında Şekil Hafızalı Alaşımlar” Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 7, Sayı 1, (2018), 335–349.
[5] hbilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/bu-malzemelerin-hafizasi-var
[6] www.sae.org/publications/technical-papers/content/851322/
[7] ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5705558
[8] Bedeloğlu, A., “Şekil Hafızalı Alaşımlar ve Tekstil Malzemelerindeki Uygulamalar” Dokuz Eylül Üniversitesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, TMMOB Tekstil Mühendisleri Odası Dergisi, Sayı 83. 33, 34.
[9] news.mit.edu/2013/how-to-make-ceramics-that-bend-without-breaking-0926
