Yeni bir çalışma polimerlerde sertlik ve esnekliğin aynı anda sağlanması sorununu çözerek iki asırlık bir sorunun aşıldığını ortaya koyuyor.
Virginia Üniversitesi (UVA) Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi’nden araştırmacılar, polimer mühendisliğine yeni kapılar açabilecek bir tasarım geliştirdi. Polimerik malzemelerde, sertlik sağlanırken esnekliğin azaldığı yönündeki geleneksel anlayışı değiştiren bu buluş, malzeme bilimini farklı bir boyuta taşıyabilir. Çalışmanın sonuçları Science Advances dergisinde 29 Kasım 2024’te yayınlandı.
Malzeme Bilimi ve Kimya Mühendisliği bölümünden Doç. Liheng Cai, bu çalışmanın köklerinin 1839’a, Charles Goodyear’ın doğal kauçuğu sülfür ile ısıtarak çapraz bağ oluşturduğu vulkanizasyon sürecine dayandığını belirtiyor. Vulkanizasyon, kauçuk moleküllerinin birbirine kimyasal bağlarla bağlanmasını sağlayarak yapışkan ve akışkan kauçuğu dayanıklı, elastik bir malzemeye dönüştürmüştü. Ancak o tarihten bu yana, polimer ağları daha sert hale getirmek için esneklikten ödün verilmesi gerektiği kabul ediliyordu.
Bu paradigma, Cai ve doktora öğrencisi Baiqiang Huang liderliğindeki ekibin, “katlanabilir şişe fırçası polimer ağları” adını verdikleri yeni malzeme tasarımıyla değişti. Ekip, bu çalışmalarını 29 Kasım’da Science Advances dergisinin kapak konusu olarak yayınladı.
Doktora öğrencisi Baiqiang Huang UVA bülteninde verdiği demeçte, bu yenilikle malzeme biliminin uzun süredir karşı karşıya olduğu bir sınırlamayı ortadan kaldırdıklarını belirtti: “Sertlik ve esnekliği aynı anda sağlamak zor olduğundan mühendisler, genellikle bir özelliği diğeri için feda etmek zorunda kalıyordu. Örneğin, yıllarca dayanabilecek bir kalp implantının hem esnek hem de sağlam olması gerekiyor.”
Çapraz bağlı polimerler, otomobil lastiklerinden medikal cihazlara kadar geniş bir yelpazede kullanılıyor. Bu yeni materyalin potansiyel kullanım alanları arasında protezler, medikal implantlar, giyilebilir elektronik cihazlar ve tekrar tekrar bükülüp esneyebilen yumuşak robotik sistemler bulunuyor.
Polimer ağlar, çapraz bağlarla birbirine bağlanmış polimer zincirlerinden oluşuyor. Çapraz bağların sayısını artırmak genelde malzemeyi sertleştiriyor ancak esnekliğini sınırlıyor. Bu nedenle, malzeme uzadığında kolayca kırılabilir. Cai’nin ekibi, polimer ağlarının moleküler tasarımına odaklanarak bu çelişkiyi çözdü.
Katlanabilir Şişe Fırçası Tasarımı
Yeni tasarımda, doğrusal polimer zincirleri yerine, bir omurgadan çıkan esnek yan zincirlerin olduğu şişe fırçası benzeri bir yapı kullanılıyor.
Akordeon Gibi Uzayan Omurga: Polimerin ana omurgası, akordeon gibi sıkışıp genişleyebiliyor. Malzeme çekildiğinde, omurganın içindeki gizli uzunluk açığa çıkarak polimerin kopmadan 40 kat daha fazla uzamasını sağlıyor.
Sertlik ve Esnekliğin Bağımsız Kontrolü: Yan zincirler malzemenin sertliğini belirlerken, omurga esnekliği kontrol ediyor. Bu sayede sertlik ve esneklik artık birbirinden bağımsız hale geliyor.
Bu tasarım, belirli bir kimyasal yapıya bağlı kalmadan farklı polimer türleriyle uygulanabiliyor. Örneğin, soğuk ortamlarda esnek kalan bir polimer veya biyomalzeme mühendisliğinde kullanılan bir polimer seçilerek, insan dokusunu taklit eden bir jel üretilebiliyor.
Cai’nin laboratuvarında geliştirilen bu yeni malzeme, 3D baskıya uygun şekilde tasarlanmış. Ayrıca, malzeme yapısına gümüş veya altın nanobuçuk gibi iletken nanoparçacıklar eklenebiliyor. Bu özellik, esnek ve giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesi için kritik öneme sahip.
Cai, “Bu yeni yapı, hem malzemenin sertlik ve esneklik özelliklerini dengeleme hem de nanoparçacıkların elektriksel, manyetik veya optik özelliklerinden yararlanma konusunda sonsuz tasarım seçeneği sunuyor,” dedi.
Kaynak: University of Virginia
