Materyal Farklılık

Materyal Farklılık (The Economist, Material Difference, 5 Aralık
2015, TQ Sayfa 3, 4, 5)
Paul Markillie, materyal biliminin otomobilden ampule kadar her şeyin üretim şeklini hızla değiştirdiğini söylüyor. Thomas Edison “Rakamlara hiç bağlı değilim. Bir deney yapıyorum. Metotlarla açıklayamadığım sonuçlar için mantık yürütüyorum.” demişti. Bu yüzden ampul yapmak için, Hindistan cevizi lifinden misinaya, hatta iş arkadaşının sakalının teline kadar 1.600 farklı materyal denedi. Sonunda Edison, ilk düzgün akkor ampul filamenti olarak karbonize formda kullanabileceği belli bir bambu türünü buldu. Ve bunu, 1879 yılının yeni yıl akşamında Menlo Park, New Jersey’deki laboratuvarında göstererek tanıttı. Bütün bu titiz deneme yanılma detayları Edison'un defterinin 40.000 'den fazla sayfasını doldurdu, fakat onun bu çözümü çok geçmeden yürürlükten kaldırıldı. 20. Yüzyılın başlangıcında filament olarak daha parlak ve uzun süre yanan tungsten kullanılıyordu. Yüz yılı aşkın süre dünya, tungsten filamentli ampullerle aydınlandı ve ampul, karikatüristler için her çeşit yeniliğin değişmez bir simgesi haline geldi. Şu an ampullerin yerini, elektriği ışığa dönüştürmede filamentlerden daha verimli ve daha uzun ömürlü olan ışık yayan diyotlar (LED) almış durumda. LED'ler ilk kez 1960’larda elektrikli aletlerin gösterge lambalarında kullanıldı. Bugün LED’ler binalar, caddeler ve otomobiller için güçlü aydınlanmalar sağlıyor. Dünyanın yoksul bölgelerinde daha önce hiç eski moda bir ampul görmemiş insanlara ışık getiriyor. Hem Edison’un ampulü ve hem de LED, materyal biliminin ve konuyu yeni ve kullanışlı formlara dönüştürme sürecinin icatlarıdır. Ampul ve LED arasındaki yıllarda hem materyaller hem de bilim çok daha karmaşık hale geldi. Çoğu kez diğer maddelerin de dikkatli bir şekilde eklenmesiyle üretilen LED’lerin yapımında kullanılan germanyum ya da silikon gibi yarı iletken materyaller Menlo Park’takinden farklı bir yaklaşım gerektiriyor. Edison’un görüşünün aksine, bu tür şeyler rakamlara bağlı, kuantum teorisi ise cabası. En ufak boyutlardaki materyallerin özelliklerini anlama yeteneği, insanların yalnızca eski şeyleri daha iyi hale getirmesine değil, yeni şeyler yapmasına da imkân veriyor. Edison’un zamanında ışıkları yakıp söndürerek gemiden gemiye mors alfabesinde mesajlar vermek, Aldis lambalarının işiydi. LED’den çok daha hassas ışık üretmesi için tasarlanan yarı iletken cihazlar, yani lazer diyotlar, kontrollü bir şekilde saniyede milyarlarca kez fasılalı atış yapabilir. Bilginin A noktasından B noktasına gitmesi gereken şaşırtıcı sayıdaki kullanımda, örneğin bir DVD, bir hoparlör, bir barkot ve bir süpermarket kasasının uç noktalarında ya da transatlantik fiber optik kabloların her iki ucunda işi yapanlar, işte bu lazer diyotlardır. Sanal dünya, tüm soyut görünümüne karşın çok gerçek ve çok iyi anlaşılmış materyaller üzerine inşa edilmiştir. Bilim adamlarının materyallerin altın çağı diye tanımladıkları da budur. Egzotik alaşımlar ve süper güçlü kompozitler gibi yeni ve yüksek performanslı maddeler ortaya çıkıyor. “Akıllı” malzemeler şekillerini hatırlayabiliyor, kendilerini tamir edebiliyor ve bileşenlerinde tekrar bir araya gelebiliyor. Bir şeyin ışığa ya da sese tepki verme şeklini değiştiren küçük yapılar, bir materyali çok farklı özellikleri olan 1/4 metamateryale dönüştürmede kullanılabiliyor. Sonuç ise eski şeyleri daha iyi hale getirmek ve daha önce hiç yapılmamış yeni şeyler yapmak için kullanılacak bir yığın yeni madde ve yeni fikir. Üniversitelerin malzeme bölümleri gelişiyor, canlı bir girişimcilik kültürü meydana getiriyor ve bir yığın yenilik üretiyor. Bu keşiflerin çoğu laboratuvarda tanıtma aşamasından ticari teklif aşamasına yükselemeyecek. Ancak bazıları, ampuller gibi dünyayı değiştirebilecek. Daha hızlı, daha yüksek, daha güçlü Fizik ve kimyanın hâkim olduğu materyal dünyasını anlamak, giderek hızlanan ilerlemenin büyük kısmına açıklık getirir. Fakat bu, teorinin basit bir zaferi değil. Araçlar da önemli. Elektron mikroskopları, atomik kuvvet mikroskobu ve X‐ışını sinkrotronları bilim adamlarının materyalleri daha önce ve mümkün olandan daha detaylı bir şekilde ölçmesine ve araştırmasına imkân sağlıyor. Manchester Üniversitesi'nin Uluslararası İleri Malzeme Merkezi'nde yapılan bir proje bu tür gelişmelerin sürdüğünü olduğunu gösteriyor. Bu merkezin laboratuvarların birinde bilim adamları, oradaki en küçük atom olan hidrojen atomunun çelik gibi materyallerin içinde dağılma şekillerini incelemek için, küçük çatlaklara neden olabilen bir işlem olan ikincil iyon kitle spektrometresini (SIMS) kullanıyor. SIMS, yüklü parçacıklardan çıkan ışınlarla örneği bombalayarak çalışıyor, bu da ikincil parçacıkların yüzeyden çıkarılmasına neden oluyor. Bu ölçümler, 50 nanometre (metrenin milyarda biri) çözünürlüğe ulaşabilen bir görüntü oluşturmak için bir dizi detektörle yapılıyor ve sadece metalin kristal yapısını ve metaldeki herhangi bir kusuru ortaya çıkarmakla kalmıyor, aynı zamanda hidrojen varlığı gibi kimyasal kirlilikleri de belirliyor. Üniversite’nin profesörlerinden Paul O’Brien “Biz zamanlar aylarımızı alan şeyi şimdi yarım günde yapabiliyoruz.” diyor. Merkezin sponsorluğunu yapan petrol şirketi BP’nin umudu, sonuç olarak daha iyi çelik ve daha verimli iş süreçleri elde edecek olması. Araştırmacılar, her zamankinden daha iyi araçlara sahip olmanın yanı sıra mevcut işlem gücündeki artıştan da faydalanıyor. Bu, onları denemek ve onlardan bir şey meydana getirmek için karar vermeden önce sanal malzemelerin özelliklerini detaylı bir şekilde keşfetmeyi sağlıyor. Kaliforniya Üniversitesi’nde batarya uzmanı olan Gerbrand Ceder “Kör olduğumuz bir çağdan kurtuluyoruz.” diyor. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Kristin Persson ile birlikte tüm bilinen ve öngörülen bileşiklerin özelliklerini derlemek için ileri teknolojiye sahip bir grup bilgisayar kullanarak açık‐erişim girişimi olan Materials Project’i kurdu. Fikir şu: araştırmacılar belli bir iş için istenen özelliklere sahip bir madde bulmak üzere yola çıkmaktansa, ihtiyaç duydukları özellikleri tanımlamaları mümkün olacak ve bilgisayarlar uygun adayların bir listesini sağlayacak. Bunların başlangıç noktası bütün maddelerin atomdan oluşması. Her atomun davranışı, ait olduğu kimyasal elemente bağlıdır. Elementler, tüm atomların dış katmanlarını oluşturan elektronların bulut yapısına bağlı olarak farklı kimyasal özelliklere sahiptir. Bazen bir atom bir "kimyasal bağ" oluşturmak için kendi elektronlarından birini komşu atomun elektronuyla birleştirir. Bunlar moleküllere ve yarı iletkenler gibi kristal materyallerin bazı türlerine yapı kazandıran bağlantı türleridir. Atomun diğer türleri elektronlarını daha yaygın 2/4 olarak paylaşmak ister. Bir metaldeki atomlar birçok elektron paylaşır, herhangi bir bağ oluşturmazlar (bu eksiklik metali işlenebilir kılar) ve elektrik akımları serbestçe akabilir. Konu kimyasal bağlar olduğunda, karbon elementi türünün tek örneğidir; karbondan neredeyse sonsuz sayıda farklı molekül Kimyacılar organik diye yapılabilir. adlandırdıkları bu karbon bazlı molekülleri görmezden gelmişlerdir ve çalışma alanı olarak kendilerini inorganik kimyaya adamışlardır. Ceder’in Materyal Projesi bu inorganik kısımda yer alıyor. Bu projede 60.000 materyal simüle edildi. Bu sayı 5 yıl sonra 100,000’e ulaşacaktır. Bu, proje üzerinde çalışan insanların "malzeme genomu" dediği şeyi, yani akla gelebilecek tüm bileşiklerin iletkenlik, sertlik, elastikiyet, diğer kimyasalları absorbe etme yeteneği ve benzeri temel özelliklerinin bir listesini sağlayacak. Ceder, “On yıl içinde materyal tasarımı yapan birileri, bütün bu rakamı ve materyallerin nasıl etkileşime girdiği bilgisini onların kullanımına sunacak.” “Eskiden bunların hiçbiri yoktu. Deneme yanılmadan öteye gidilemiyordu.” diyor. Edison’un deneme yanılma temelli işletmelerinin 1892 yılında birleşmesiyle kurulan General Electric’in laboratuvarlarında yapılan bir gezinti, benzer yaklaşımların zaten uygulamada olduğunu gösteriyor. GE Araştırma Başkanı, Michael Idelchik vücut tarayıcılarında kullanılmak üzere geliştirilmiş yeni yapay lal taşlarını vurguluyor. Tarayıcının, görüntü oluşturmak için X ışınlarını gözle görülür ışığa dönüştürmesi gerekiyor. Bunu ne kadar iyi yaparsa, hasta o kadar düşük dozda X ışınına maruz kalıyor. Şirket, taramaları çok daha hızlı‐
güvenli, hasta için çok daha keyifli ve hastane için çok daha düşük maliyetli hale getireceğini umduğu lal taşının belli bir türü üzerinde karar kılmadan önce, X ışınlarına maruz kaldığında parlayan ve aralarında ince bir fark olan 150,000 tür kristal denemiş durumda. Tek malzemenin sunduğu imkânların başında, bunları birleştirerek oluşturulabilecek daha zengin bir dünya potansiyeli geliyor. Diğer yandan Idelchik, jet motorlarının nikel alaşımlı parçalarının seramik matris kompozitlerden (CMC) yapılmış parçalar ile değiştirilmesine odaklanıyor. CMS’lerin güçlü kimyasal bağları seramiklerin ısıya metallerden daha fazla dayanabildiği anlamına geliyor. CMS aynı zamanda, ilgili nedenlerden dolayı daha kırılgan. Metal ile seramiği birleştiren CMS ile iki materyalden de maksimum fayda sağlanabilir. Şirket soğutmaya daha az ihtiyaç duyan CMS’in, daha az karbon salınımı olan ve daha verimli motorlara yol açmasını umuyor. İşlem gücü, bu tür hibridler oluşturmaya yardımcı oluyor. Aynı zamanda tasarımcıların yeni malzemeleri en iyi nasıl kullanılabileceğini anlamalarına da yardımcı oluyor. Michigan firması Altair, Kaliforniya firması Autodesk ve Fransız grup Dassault Systèmes gibi firmaların yazılımları kullanılarak fiziksel bir öğe üretilmeden birçok prototip, önce sanal formda üretiliyor. Mühendisler bir kimya tesisi modelleyebiliyor, mimarlar bir binanın dijital bir sunumu yoluyla müşterilerini gezdirebiliyor, araçlar cadde manzarasının içindeki farklı yollarda test sürüşü yapabiliyor ve diğer araçların yanına park edebiliyor. Tüm bunlar ürün gelişimini büyük oranda hızlandırmış durumda. Yük, gerilim, akışkan dinamiği, aerodinamik, termal koşullar gibi şeyleri ve çok daha fazlasını hesaplamaya imkân veren yazılımlar, materyallerin özelliklerini dikkate almaya yetecek kadar güçlü. 3/4 Autodesk’in teknoloji şefi Jeff Kowalski, “Üreticiler bunun sunduğu potansiyeli yeni fark etmeye başlıyor.” diyor. Birçok firma yeni materyalleri kullanmak için parçalar uyarlıyor ve bunları daha önce olduğu gibi aynı araç ve süreçlerle üretmeyi umuyor. Kowalski, bunun standardın altında sonuçlar vereceğini tahmin ediyor. Yeni materyallerin üretim süreçlerini yeniden tanımladığı veya daha yaratıcı hale gelen tamamen yeni türde ürünlere olanak tanıdığı ve karikatüristlerin ampulleri artık sadece insanların kafalarının üzerine çizmeye başladığı bir zamandayız. Tek bir şey “Mesele, ‘yaratıcı tasarım’ dünyasına doğru gidiyor.” diyen Kowalski’ye göre, mühendisler ne elde etmek istediklerini belirleyecek, bilgisayar bu amaca uygun tasarımlar sağlayacak. Materyal bilgisi geliştikçe, bilgisayarlar bir tasarımcı tarafından belirlenen özellikleri karşılayacak malzemeler bulacak. Malzemelerin özellikleri kendi uzunluğu ve genişliği boyunca değişebilir, çünkü mikro yapıları onarmak kolaylaşıyor. Bazı şirketler, Savile Row gibi giyim markalarına yeni materyaller teklif etmek için çoktan yola çıktılar. 4/4