Kerpiçten Bakalite ve Biyobenzetim Esaslı Hibritlere: Kompozit Malzemelerin Tarihi
Tarih öncesi çağlarda yararlanılan malzemelerden günümüzün yüksek teknoloji temelli inovasyonlarına dek kompozitler, kullanıldıkları her devirde en modern teknolojiyi temsil eder oldular: Antik Mısırlıların güneş altında kuruttukları kerpiç tuğlalardan barınaklar inşa etmelerini de, astronotların Kevlar karışımlı malzemeden üretilmiş uzay mekiklerinin sağladığı güvenlikle uzayı keşfetmelerini de kompozitlerin varlığına borçluyuz. Kompozit malzemelerin gelişiminin bazı açılardan uygarlığın gelişimini yansıttığını söylemek dahi mümkün. Kompozitlerin geçmişine dair bilgi edinmek ve bu malzemelerin binlerce yıl boyunca insanın inovasyon çabasına nasıl katkı sunduğunu öğrenmek istiyorsanız, lütfen videomuzu izleyin.
[Video Deşifresi]
Dış ses: Günümüzün en önemli inovasyonlarından bazılarının ardında, geçmişi tarih öncesi çağlara dayanan bir teknolojinin olduğunu biliyor muydunuz? Evet, kompozit malzemelerden söz ediyoruz…
Kompozitler, iki veya daha çok sayıda farklı malzemeden oluşur. Bu malzemeler bir araya gelerek bileşenlerin her birinden daha sağlam olan yeni bir malzeme meydana getirir. Konut inşaatlarından uçak üretimine kadar çok çeşitli alanlarda kompozitlerin kullanıldığını görürüz. Birden fazla bileşenin tek bir süper malzeme oluşturmak üzere bir araya getirilmesiyle, öncesinde imkânsız gibi görünen fikirleri hayata geçirmek mümkün olabilmiştir. Örneğin, çimento gibi bir malzemeyle nervürlü betonarme demirini birleştirildiğimizde, günümüzün köprü tabliyelerinde kullanılmaya uygun, dayanıklı bir kompozit elde etmiş oluruz.
Şimdi, tarihteki ilk kompozit türlerinden birkaçına göz atarak bugün yararlandığımız bazı güçlü malzemelerin nasıl üretilmiş olduklarını görelim.
Milattan önce 7000’den itibaren insanlar güneşin altında kuruttukları kerpiç tuğlalardan yararlanmaya başladıklarında aynı zamanda tarihteki ilk kompozit malzemeyi de üretmiş oldular. Bu kompozit malzeme, bazen de çamur halindeki toprağın kil, tezek veya samanla harmanlanmasıyla elde edilen kerpiç hamurunun kamış veya sazdan bir yapı iskeletine takviye amaçlı olarak sıvanmasıyla elde ediliyordu. Milattan önce 3400’de, bu kez Mezopotamyalılar, ince tahta parçalarını birbirlerine farklı açılarla yapıştırarak ahşap malzemeleri güçlendirmiş ve bu şekilde ilk kontrplağı üretmiş oldular. Antik Mısırlılar, papirüs bitkisinden yapılmış kağıdın arkasını sıvayarak kartonaj adı verilen kompozit malzemelerin imalatını ilk kez gerçekleştirdiler. Han hanedanlığı döneminde ise Çinliler, hamurlaştırılmış bitki liflerini yapışkan malzemelerle bir araya getirerek, günümüzde “kartonpiyer” olarak adlandırdığımız kağıt hamuru esaslı ilk yapıları inşa ettiler.
Günümüzün kompozit malzemeleri içinde en yaygın kullanıma sahip olan beton ise, antik Romalı mühendis Vitruvius’un imzasıyla Milattan Önce 25’te tarih sahnesindeki yerini aldı. Vitruvius, kum ve kireç harcı kullanarak bu kompozit malzemenin çeşitli versiyonlarını üretti. Çok daha sonraları, Francois Coignet, 1853’te ilk defa demir takviyeli betondan bir ev inşa ederek betonarme kullanımının öncüsü oldu. Betonarme, betonun metal çubuk gibi takviye malzemelerle bir araya getirildiği bir kompozittir. 1900’lerin başlarında, Amerikalı mimar Julia Morgan, Kaliforniya’nın Oakland şehrinde El Campanil adı verilen, betonarmeden bir çan kulesi inşa etti. 22 metre yüksekliğindeki bu etkileyici yapı, 1906’daki San Francisco depremini hasarsız atlattı. Yapının depremdeki performansı ve yangına karşı dayanıklılığı betonarme kullanımının giderek yaygınlaşmasına yol açtı.
1905’te Belçikalı kimyager Leo Baekeland, odun unu ya da asbest lifi gibi dolgu maddeleriyle suni reçineyi birleştirerek Bakalit adı verilen ilk fiber kompoziti üretti. Isıya dayanıklı, yalıtkan bir malzeme olan Bakalit; mutfak gereçleri ile elektrik kablo muhafazalarının yanı sıra, oyuncaklar ile plakların üretiminde de kullanılan mükemmel bir malzemeydi. 1936 yılına geldiğimizde Dupont firması, cam elyaflarını plastikle bir araya getirmek suretiyle ilk fiberglas malzemeyi geliştirdi. Yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip bu malzeme ahşap ve metal yerine kullanılabiliyordu. Fiberglas, 2. Dünya Savaşı sırasında çok büyük önem kazandı. Tekne, gemi ve uçak gövdelerinin kitlesel üretiminde ondan yararlanıldı. Nihayet 1950’li yıllarda fiberglas otomobil üretiminde de vazgeçilmez ham maddelerden biri olup çıktı.
1950’lerde helikopter pervaneleri, baskılı devre kartları ve ateşli silahların alt gövde kısımları gibi çeşitli parçalar fiberglas üretiminde patlama yaşanmasına sebep oldu. Bu ulusun, içinde bulunduğumuz on yıl bitmeden Ay’a bir insan gönderip daha sonra onu Dünya’ya güvenli bir şekilde döndürmeye kendini adaması gerektiğine inanıyorum. Gelgelelim, 1960’lardaki uzay yarışında çok daha hafif, sağlam ve ısıya daha dayanıklı malzemelere ihtiyaç duyuluyordu. Metal matrisli kompozitler, yani MMK’lar bu ihtiyaca cevap vermek üzere geliştirildiler. MMK’lar metallerin seramik esaslı malzemelerle bir araya getirilmesiyle oluşan kompozitlerdir. Kompozit malzemeler, patenti 1959 yılında alınan karbon fiber ile 1960’larda geliştirilen seramik ipliksiler sayesinde uçak gemilerine de girdi. Bu malzemeler hem daha dayanıklı hem de uçak gemilerinde özellikle ihtiyaç duyulan yüksek sıcaklıklar için daha uygun idi.
1970’ler yeni buluşlara tanık olduğumuz yıllar oldu. Aramid adı verilen naylon bileşenin kullanıldığı Kevlar kompoziti, bu buluşlardan sadece biriydi. Ucuz ve tok bir elyaf malzeme olan Kevlar, bugün havacılık ve otomotiv sektörü ile tüketici ürünleri ve çevresel uygulamalarda yoğun şekilde kullanılıyor. Öte yandan, uzay yarışının devam ettiği yıllarda uzay istasyonları ile uzay mekiklerinde yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemelere duyulan ihtiyaç da artıyordu. Ancak kompozit malzemelerde 1970’lerde tanık olunan gelişmelerin ardında, otomotiv endüstrisi gibi tüketici piyasalarının da etkisi vardı. Basma mukavemeti iyi olan, gelişkin grafit kompozitler, spor ekipmanlarında kullanılan ahşap ve metalin yerini o yıllarda almaya başladı.
Kompozit malzemeler çevrenin korunmasında da son derece faydalı işlev görebiliyor. 1980’lerde, MDF olarak da bilinen orta yoğunluklu sunta kompozitinin üretimiyle birlikte aşırı ağaç kesiminin önüne geçilmiş oldu. 1990’larda, araştırmacılar, ahşaba şeffaf bir yapı kazandırmak üzere kimyasalları çıkarıp yerlerine nasıl polimer ekleyebileceklerini keşfettiler. Böylelikle cam veya plastik yerine kullanılabilecek, sağlamlığını muhafaza eden ama toprakta da çürüyebilen (yani biyobozunur) bir alternatif malzeme ürettiler. 90’larda keşfedilmiş olmasına rağmen, şeffaf ahşap bir türlü yaygın bir kullanıma erişemedi. Isıtma giderlerini düşürmesi beklenen bu malzemeyi geliştirme çalışmalarının aslında yeni yeni başladığını söylemek daha doğru.
Kompozitlerin günlük hayatımızı neredeyse her yönden dönüştürdüğü bugün tartışılmaz bir gerçek. Uzay araştırmaları, biyoloji alanındaki gelişmeler ve alternatif enerji formlarına yönelik çalışmalar devam ederken, kompozitler daha önce hayalini bile kurmadığımız teknolojilerin temellerini atıyor. Örümceğin ağ yapmak için kullandığı ipek tellerin, istiridyelerin kabuğunda bulunan sedefin, ıstakozların yumuşak ama güçlü vücut zırhlarının kendine has özelliklerini; termit höyüklerinin yalıtım becerilerini; insan cildinin kendi kendini iyileştirme kapasitesini veya kuşlar ile yarasaların uçuş hünerlerini taklit eden biyobenzetimli hibrit kompozitler, bilim insanlarının üzerinde çalıştığı yeni alanların sadece birkaçı.
Bileşenlerinin bir parçası 100 nanometre veya altında boyutlarda olan yeni nanokompozitler de günlük hayatta sahne almaya başladı. Bu malzemeler daha uzun ömürlü pillerin üretilmesine, kırılan kemiklerin onarılmasına, esnek elektronik cihazların imalatına olduğu kadar, malzemelerin mukavemet/ağırlık oranının geliştirilmesine ve insan vücudundaki tümörlerin tespitine de yardımcı oluyor. Hedeflediği çevresel unsurları sensörleriyle takip edip algılayan, topladığı verileri işleyip karar verebilen ve bu kararı hareket eden mekanizmalarına iletebilen robotik kompozitler de kendi kendine çalışan hizmetkarların, yani otonom makinelerin çağını müjdeliyor.
Geleceğe dair çok şey söylemek mümkünse de, kesin emin olduğumuz tek bir şey var: Uygarlığın başlangıcından bu yana çok önemli teknolojik işlevler üstlenmiş kompozit malzemeler hayatımızdaki muazzam gelişmelerin anahtarı olmaya bundan sonra da devam edecek. Kim bilir? Yorgun gezegenimizi onarmanın sırrı da belki kompozit malzemelerde saklıdır.