Yeni Ufuklar Açıyor

Özlem Kılıç Ekici

Dr., Bilimsel Programlar Başuzmanı TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi

K

biyomime-tik alanında çalışan iki mühendis, doğadaki biyolo-jik sistemlerin özellikle üç özelliğinin mühendisler ta-rafından tasarlanacak yeni malzemelere

uygulanma-sı gerektiğini düşünüyor: Hafiflik, sertlik ve da-yanıklılık. Örümcek ipeğinden ıstakoz ve is-tiridye kabuğuna, kuşların gagalarından kir-pilerin oklarına kadar çok geniş bir yelpaze-de inceleme yapan uzmanlar, özellikle hafif-lik, sertlik ve dayanıklılık özellikleri bakımın-dan örnek alınan doğal sistemler sayesinde ha fonksiyonel zırhlar, daha hafif hava araçları ve

da-ha sağlam ve esnek malzemeler tasarlanabileceğini belirtiyor. Başka bir teknoloji harikası olan üç boyutlu yazıcılar

sayesin-de sayesin-de tasarlanan bu malzemelerin kolayca üretilebileceği vur-gulanıyor. Balmumundan kanat yaparak uçan İkarus efsanesin-den, Leonardo Da Vinci’nin kuşlardan ve deniz kabuklarından

esinlenerek tasarladığı merdivenlere ve uçan makine-lere, günümüzde ise “cırt cırt” Velcro bantlardan,

sürtünmeyi azaltan profesyonel yüzücü mayo-larına, küçük bir kertenkele türü olan geko-nun yapışkan pençelerini taklit ederek geliş-tirilen ameliyat bandajlarına, balinaların yüz-geçleri örnek alınarak üretilen türbin kanatla-rına, kuş kanatlarının kavisli yapılarından esin-lenilerek geliştirilen uçak kanatlarına kadar çok çeşitli malzeme, biyomimikri sayesinde uzun zamandır bilimin, sana-tın ve teknolojinin bir parçası olarak insanlığa hizmet ediyor.

Doğadaki Tasarımlar

Bilim ve Teknolojiye

Yeni Ufuklar Açıyor

thinkst ock

Biyomimetik ya da biyomimikri (biyobenzetim), insanların doğadaki sistemleri taklit ederek yaptığı malzemelerin,

maddelerin, mekanizmaların ve sistemlerin tümünü ifade eden bir araştırma alanı.

Doğadaki tasarımlar örnek alınarak üretilen malzemeler özellikle

nanoteknoloji, robot teknolojisi, yapay zekâ, tıp endüstrisi ve askeri donanım gibi alanlarda kullanılıyor.

Doğadaki tasarımlar en az malzeme ve en az enerji ile en fazla verim almaları,

kendi kendilerini onarma özellikleri, geridönüşümlü ve doğa dostu olmaları, sessiz çalışmaları, estetik yapıları,

dayanıklı, esnek ve uzun ömürlü olmaları bakımından teknolojik çalışmalara örnek oluyor.

30 30

Bilim ve Teknik Mayıs 2013

>>>

Sağlam ve sert malzemelerde arayüz-lerin önemi: Mühendisler tarafından

ge-liştirilen sağlam ve sert yapı malzemeleri çatlakların yönünü saptırarak düz bir çiz-gide ilerlemelerini önleyecek şekilde ta-sarlanıyor. Doğada gözlemlenen doğal sistemler ise bu sonuca ulaşmak için farklı taktikler kullanıyor. Örneğin kırılgan mi-nerallerin içinde esnek kolajen lifi prote-inlerinin bulunması ya da sistemlerin ara-sında doğal arayüzlerin oluşması gibi. Ör-neğin nanoölçekte bakıldığında deniz ka-buklarının yapısının gerçekten çok sağ-lam olduğunu görüyoruz. Bu konuda ça-lışmalarını sürdüren uzmanlar özellik-le deniz kulağı istiridyesinin içini

kapla-yan ve incinin ham maddesi olan sedefin, kabuğun içinde adeta tuğla dizilişi şek-linde yapılandığını ve bu nedenle kabu-ğun bu derece güçlü oldukabu-ğunu belirtiyor. Bu diziliş, oluşan çatlakların derinlemesi-ne ilerlemesiderinlemesi-ne engel olarak kabuğun sağ-lamlığını artırıyor. Deniz kabuğunun % 95’ini kalsiyum karbonat kristalleri oluş-turuyor. Kabukların yapısını oluşturan di-ğer % 5’lik kısım ise yaklaşık 30 farklı pro-teinden oluşan organik malzeme. İşte bu proteinler tıpkı demir plakalar ve sütun-lar gibi, kalsiyum karbonat kristallerinden oluşmuş sedef “tuğlaları” bir arada tutuyor ve kabuğun sert ve sağlam kalmasını sağ-lıyor. Yapılan çalışmalar tuğla dizilişindeki

bu yapının doğal olarak pürüzlü ve dalga-lı bir yüzeye sahip olduğunu da gösteriyor. Dışarıdan bir zorlanma olduğunda “tuğ-lalar” birbirlerine doğru kayarak kenetle-niyor ve zorlanma sırasında oluşan enerji-yi daha geniş bir alana yayıyorlar. Yani bu pürüzlü ve birbirine kenetlenebilen dal-galı yapı, hassas dış tabakanın bükülmeye ve esnemeye karşı daha dayanıklı olması-nı sağlıyor. Kabuğun dış kısmında meyda-na gelen çatlaklar ve zararlar bu nedenle iç kısma zarar veremiyor. Deniz kabuğu-nun kalsiyum karbonat kristali içerikli se-def yapısı taklit edilerek elde edilen, nano-ölçekli kompozit yapı malzemeleri özel-likle uzay çalışmalarında, hafif fakat sağ-lam uçak zırhlarının yapımında, ulaştır-ma sanayisinde ve düşük ağırlıklı yani ha-fif köprülerin inşasında kullanılıyor.

Köpük benzeri hafif ve sağlam yapı-lar: Hayvanlarda (örneğin kuşlarda tüyler

ve gaga, kirpilerde oklar) uçmak dâhil her türlü hareket ile uyumlu, hafif ama bir o kadar da sağlam yapılar bulunur. Bu yapı-lar hafif olmayapı-larına rağmen kolayca eği-lip bükülmez. Bunların birçoğu boru ya da tüp şeklinde yapılardır. Borumsu ya-pıların çapları belli bir uzunluğa ulaştı-ğında eğilip kırılma riski de artıyor. An-cak bu tüplerin içleri strafor köpük benze-ri bir maddeyle kaplı ve bu da hayvanlar-daki yapıların sağlamlığını artırıyor. Ör-neğin Güney Amerika yağmur ormanla-rında yaşayan tukanın gagasının köpük benzeri yapısı incelendiğinde, dış tabaka-nın tırnak, saç ve boynuzun ana madde-si olan keratin proteininden, aradaki taba-kanın ise liflerden ve ince zarlardan oluş-tuğu görülmüş. Keratinler dış tabakada gaganın sağlamlığını artıracak şekilde di-zilmiş. Tukanın gagasındaki doğal biyo-kompozitin yapısı taklit edilerek çok hafif ama dayanıklı uçak ve araba modelleri ta-sarlanabiliyor. thinkst ock thinkst ock 31 30_32_doganin_malzemeleri.indd 31 24.04.2013 12:25

Dayanıklı malzemelerde merlerin önemi: Kolajen gibi

biyopoli-merler, dayanıklı doğal malzemelerin te-melini oluşturur. Düşük basınç ya da bas-kı seviyelerinde moleküller bas-kırılmadan es-neyip bükülebilir. Basıncın daha düşük ol-duğu koşullarda ise polimerin kendisi es-neyerek doğal yapının kırılmasını engel-ler. Bu tür biyopolimerler çok sert mine-rallerde bulunur. Örneğin doğal bir bi-yopolimer olan örümcek ipeği saç telin-den ince, pamuktan hafif, plastikten es-nek ancak çelikten beş kat daha sağlamdır.

Örümcek ipeğini bu kadar üstün ya-pan, ipeğin kimyasal yapısında ve üretim merkezinde gizli. Bu ipeğin ham madde-si, sarmal aminoasit zincirlerinden olu-şan keratin proteini. Keratinin esnek hid-rojen bağlarla bağlanmış aminoasitlerden oluşuyor olması da, bu maddelere hem sağlamlık hem de esneklik kazandırıyor.

Bir malzemenin sağlamlığı ve esnekli-ği, endüstride kullanım şansını da artırı-yor. Örümcek ipeğinden süper dayanıklı tekstil ürünleri, gerektiği kadar esneyebi-len emniyet kemerleri, hassas ameliyatlar-da kullanılabilecek biyobozunur, iz bırak-mayan ve alerji yapbırak-mayan ameliyat iplik-leri,hafif, esnek ve kurşungeçirmez zırh-lar, çelik yelekler, miğferler, farklı sıcaklık-lara ve koşulsıcaklık-lara dayanabilen paraşütler, gemileri bağlamak için hafif halatlar, optik ve elektromekanik kablolar, doku uyum-lu yapay tendonlar ve bağlar, uçak ve gemi sanayisi için dış yapı malzemelerinin üre-tilmesi planlanıyor.

Biyomimikri alanında çalışan uzman-lar doğada gördükleri model ve ölçüle-ri örnek alarak her geçen gün biraz daha hız kazandırdıkları çalışmalarıyla, özel-likle endüstri alanında doğadaki gibi ham maddeler ve ekonomik sistemler geliştir-meye devam ediyorlar.

Kaynaklar • http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-02/uoc--tla021313.php • http://en.wikipedia.org/wiki/Biomimicry • http://www.biomimicryguild.com/guild_biomimicry.html thinkst ock 32

Doğadaki Tasarımlar Bilim ve Teknolojiye Yeni Ufuklar Açıyor <<<