ÖLÜM 1 Malzeme ilimine Girişsimgeirizalp.cbu.edu.tr/mlzblmB/bolum1.pdfMalzeme Bilgisi ve...
Transcript of ÖLÜM 1 Malzeme ilimine Girişsimgeirizalp.cbu.edu.tr/mlzblmB/bolum1.pdfMalzeme Bilgisi ve...
1
BÖLÜM 1Malzeme Bilimine Giriş
Malzeme bilimi ile ilgili kavramlara giriş
Değerlendirme
• 2 quiz %15
• 1 vize sınavı %35
• 1 final %50
3
DERS MATERYALİ
Materials Science and Engineering: An Introduction, W.D. Callister, Jr. and D.G. Rethwisch, 8th
edition, John Wiley and Sons, Inc. (2010). Çev. Prof.Dr.Mehmet Erdoğan
The Science and Engineering of Materials, Donald R. Askeland,Pradeep Prabhakar Phulé
Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Prof.Dr. Temel Savaşkan, Derya Kitabevi
Malzeme Bilgisi I, Malzeme Bilgisi II, Çev. Ahmet Aran/Şefik Güleç
http://books.google.com.tr/books?id=fRbZslUtpBYC&printsec=frontcover&dq=THE+SCIENCE+AND
+ENGINEERING+OF+MATERIALS&source=bl&ots=wN2Vod9RdI&sig=uoiYw7IGmcdPCz_kljfhLGT
nos4&hl=tr&ei=zNehTOzYNIyuOMXP-
LUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=3&ved=0CDAQ6AEwAg#v=onepage&q&f=false
http://www2.isikun.edu.tr/personel/ahmet.aran/dersnotlari.htm
http://people.virginia.edu/~lz2n/mse209/Chapter1.pdf
4
Synthetic Gecko hairs
necessary for spider man(New Scientist 15. 05. 2003)
• Gecko tropik bölgelerde yaşayan küçük ve zararsız bir tür kertenkeledir. Gecko kertenkeleleri kendilerini diğer sürüngenlerden ayrıcalıklı kılan bir özelliğe sahiptirler. Duvarda, hatta tavanda düz bir yolda yürüyormuşçasına rahat hareket edebilir; tek ayakları üzerinde tepetaklak durumda asılı durabilirler. Cilalı dikey bir düzlemde bile başaşağı konumda koşturabilirler.
• Peki Geckonun ayaklarının zemini bu derece sıkı kavramasına imkan sağlayan ve bu sürüngenin şaşırtıcı hareketlerine olanak veren sistem nedir?
• İlk akla gelen, Geckonun yapışkan bir madde salgılayarak tavana tutunması ihtimalidir. Ancak bu mümkün değildir, çünkü hayvanın herhangi bir yapıştırıcı üretecek salgı bezi yoktur. Ayrıca böyle bir sistem belki Geckoyu tavana yapıştıracaktır ama hareket etmesine imkan tanımayacaktır.
• Hayvandaki üstün kavrama yeteneğinin vantuz benzeri bir yapıdan kaynaklandığı da düşünülebilir. Fakat böyle bir akıl yürütme de doğru olmayacaktır. Zira Geckonun ayakları havası alınmış bir ortamda da kusursuz iş görür. Zaten havasız ortamda bir pompa zemine de yapışamaz.
• Araştırmalar Geckonun ayaklarındaki mekanizmanın üstün bir mühendislik örneği olduğunu ortaya çıkarmıştır. Gerçekten de bu sürüngenin ayak yapısı tırmanmak için tasarlanmıştır.
• Portland'taki Lewis & Clark Lisesi'nden çevre fizyoloğu Kellar Autumn ve California Berkeley Üniversitesi'nden bio-mühendis Robert Full tarafından kurulan ve Massatchusetts IS Robotics tarafından desteklenen bir ekip Geckonun nasıl tırmandığını mikroskobik açılardan incelemişlerdir.
500000000 nanohairs
Geckolar tutunabilmek için Van-
der-Waals-kuvvetlerini kullanırlar
Geckonun parmak uçları, tıpkı bir kitaptaki sayfalar
gibi ince doku yaprakları ile kaplıdır. Her bir yaprak
da, "setae" adı verilen özel bir doku ile kaplıdır. Bu
dokuda tüy benzeri uzantılar yer alır ve bu
uzantıların uçları da yüzlerce mikroskobik uca
ayrılmaktadır.
İğne başı kadar bir alanda ortalama 5000 mikro
tüy vardır. Bu da hayvanın her ayağında yaklaşık
yarım milyon tüyün bulunması anlamına
gelmektedir. Her bir tüy kendi içinde sayıları 400
ile 1000 arasında değişen tüyümsü uzantılardan
oluşmaktadır. Bundan başka dikkat çeken bir
unsur da tüylerin hayvanın topuklarına bakacak
biçimde yerleştirilmiş olmasıdır. Her bir ucun
kalınlığı milimetrenin beş binde biri kadardır.
Geckonun ayağındaki milyonlarca mikroskobik uç,
değdikleri yüzeydeki atomların çekim kuvvetini
kullanarak o yüzeye bir tutkal gibi yapışır.
The Gecko toe has 500000 microhairs (setae)
The setae has 1000 nanohairs
Nanostructure of the Gecko toe
Technical surface 1
Technical surface 2
Microhair
Nanohairs !
Technical surface
The Gecko effect
Adhesion effect through
Van-der-Waals-forces
Small contact area small adhesion force
Large contact area large adhesion force
Contact area
• Gecko adım atarken ayak tabanını yüzeye bastırır ve hafifçe geriye çeker. Böylece tüylerin zemine maksimum düzeyde temas etmesini sağlar. Diğer bir ifadeyle, tüyler yüzeydeki çıplak gözle görünmeyen mikroskobik girinti ve çıkıntılara sıkıca tutunurlar. Böylece, ayak ile yüzey arasında moleküler düzeyde zayıf bir çekim kuvveti oluşur. Bu çekim kuvveti kuantum fiziğinde "Van Der Waals kuvveti" olarak adlandırılmaktadır.
• Van der Waals kuvveti sizin eliniz ve duvar arasında da vardır ama çok zayıftır. Atomik seviyede bakacak olursak elinizin yüzeyi dağlarla kaplı gibidir ve sadece en tepedeki atomlar duvarla temas ederler. Ancak Geckonun ayağındaki binlerce spatula ucu tıpkı bir tutkal gibi duvara yapışır.
• Eğer Geckonun parmakları gerçek yapışkanla kaplı olsaydı (veya bir zamanlar bilim adamlarının sandığı gibi vantuzlarla) Geckonun her ayağını kaldırdığında bu yapışkanlığı kırmak için çok fazla enerji harcaması gerekirdi. Ancak araştırmaları yürüten ekibin bulgularına göre, Geckonun duvara değdiği açıyı değiştirmesi ayağını çekmesi için yeterli olmaktadır.
• Ayaktaki tüycüklerin konumu ve sıklıkları Van der Waals kuvvetini ortaya çıkarır. İşte bu kuvvet, yerçekiminin Gecko üstündeki gücüne baskın çıkar. Hayvan, ayağını kaldırmak istediğinde de ayak tabanını ileri doğru büker ve moleküler çekim kuvvetinin üstünde bir güç harcayarak tabanını kaldırır
Gecko-TapeGecko Tape (with directional adhesion) is a
new material still at the development stage.
Directional adhesion refers to the ability of
an adhesive material to grip a load in one
direction and to release its grip when the
direction is reversed.
16
17
Nanoteknoloji’ de İnovasyon: Nilüfer(Lotus) Çiçeği
Kıyafetleriniz hiç kirlenmese, daima temiz kalsa ve siz de onları yıkamak zorunda
kalmasaydınız ne iyi olurdu değil mi? Veya arabamızı hiç yıkamak zorunda kalmasak,
evlerimizin dış cepheleri sürekli temiz kalsa en önemlilerinden de evimizin içerisini
temizlemek sorunu olmasa (özellikle öğrenciler için çok gerekli) vb. bunun gibi hayal
gücünüzü geliştirerek her türlü pis ortam için gerekli bir malzeme türü olsa ne güzel
olur değil mi? Kimya Sektörünün devi olan BASF firmasının Almanya’da Ludwigshafen
kentindeki laboratuarlarında araştırmalarını sürdüren uzmanlar, kumaş, kağıt ve hatta
yer karolarını temiz tutabilecek, hatta bu malzemelerin kendi kendilerini temizlemesini
sağlayacak bir sprey geliştirebilmeyi hayal ediyorlar.
Projelerini gerçekleştirmede avantajlı bir noktadan işe başlıyorlar, çünkü aradıkları
özellik doğada hazır halde bulunuyor. Sahip olduğu yaprak tasarımı sayesinde nilüfer
çiçeği asla kirlenmiyor ve her yağmurda kendi kendini temizliyor.
1990’lı yılların başında Almanya’nın Bonn Üniversitesi’nden Wilhelm Barthlott, nilüfer
yapraklarının mikroskobik tasarımını gün ışığına çıkardı. Dışarıdan bakıldığında fark
edilmemesine karşın, bitki mikroskobik ölçüde son derece özel bir yüzey tasarımına
sahip. Buna göre nilüfer yaprakları 5-10 mikrometre (milimetrenin binde biri)
yüksekliğinde ve birbirinden 10-15 mikrometre mesafede olan çok küçük tümseklere
sahip. Sonuçta ortaya 0.1 mikrometre genişliğinde, tellerden oluşan engebeli bir yüzey
çıkıyor. Bu tepeler balmumuyla kaplı. Bu bozuk yüzey şekline sahip olması sayesinde
su damlacıkları yüzeyle tam bir temas sağlayamıyor ve kendi ağırlıklarıyla aşağıya
doğru akıyorlar.
NİLÜFER BOYA SEKTÖRÜNDE DE ÖRNEK ALINIYOR
Daha önce Alman ISPO şirketi, “Lotusan” isimli silikon bazlı bir dış cephe boyası
çıkarmıştı.Bu ürün tamamen Nilüfer çiçeğindeki tasarıma dayanılarak geliştirildi. Zaten
Lotusan ismi de Nilüfer çiçeğinin İngilizce adı olan Lotus’tan geliyor. Wilhelm
Barthlott’ın araştırmalarının sonuçlarından elde edilen bilgiler ışığında üretilen boya
kirlenmiyor. Nilüferi taklit eden boya 10 sene garantili olarak satılıyor. Bu ürünün aynı
zamanda Lotus Effect, yani nilüfer etkisi adıyla da patenti alınmış durumda.
Example – Hip Implant• With age or certain illnesses joints deteriorate.
Particularly those with large loads (such as hip).
18Adapted from Fig. 22.25, Callister 7e.
Example – Hip Implant
• Requirements
– mechanical strength (many cycles)
– good lubricity
– biocompatibility
19
Adapted from Fig. 22.24, Callister 7e.
Example – Hip Implant
20Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.
21
22
23
24
25
26
27
1000 F= 537 C
2000 F=1093 C
28
29
30
31
32
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
• Malzeme Biliminin genel amacı, malzemelerin içyapısını tanıtmak, iç yapılar ile özellikler arasında bağıntılar araştırmak, bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflara ayırarak özelliklerini incelemektir.