İpek KOCAOĞLU
Uzman
Yenilik ve Girişimcilik Politikaları Birimi
ipek.kocaoglu@izka.org.tr

Malzeme ve medeniyet düzeyi arasındaki ilişkiyi tarih boyunca görmek mümkündür. Taş devri, maden devri gibi tarih öncesi çağlardan bu yana insanların yaygın olarak kullandığı malzemeler medeniyetlere yön vermiştir. Modern çağlarda da durum farklı değildir; malzeme, toplumsal gelişmeyi şekillendirmeye devam etmektedir. Örneğin, 1960’larda plastikler oldukça ucuz ve yaygınken, 1980’lerde silikon malzemelere dayalı elektronik eşyaların kullanıldığı görülmektedir. Günümüzde ise nanomalzemeler, biyomalzemeler, akıllı malzemeler gibi ileri teknoloji ürünü malzemeler hayatımıza girmektedir.

İleri malzemelere geçmeden önce malzeme türlerine hızlıca değinmekte yarar vardır. Malzemeler geleneksel olarak metaller, seramikler ve polimerler olarak üç temel sınıfa ayrılmaktadır. Polimerler hafiftir ve kolaylıkla şekillendirilebilir. Ancak ısıya ve çevresel etkilere dayanıklı değildir ve kolay bozulur. Seramik malzemeler ise yüksek sıcaklığa dayanıklı olmasına karşın sert ve kırılgandır. Metaller ise yüksek yoğunlukları nedeniyle ağır fakat dayanıklı malzemelerdir.

Görüldüğü gibi her sınıfın kendine özgü avantaj ve dezavantajları vardır. Üretimde hafif fakat dayanıklı ve yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir malzemelere olan gereksinim sonucunda kompozit malzemeler ortaya çıkmıştır. Kompozitler, en az iki farklı malzemenin makro seviyede (birbiri içerisinde çözünmeyecek şekilde) birleştirilmesiyle oluşmaktadır.  Böylece kompozitler, kendisini oluşturan malzemelerin tek başına sahip olamadığı üstün özelliklere sahip olmaktadır. Kompozit malzemeler kimyasallara, korozyona ve hava şartlarına dayanıklılık gösterebilmektedir. Daha dayanıklı ancak daha hafif olması nedeniyle özellikle otomotiv, havacılık ve uzay sektörlerinin vazgeçilmezi haline gelmiştir. Kompozitlerin havacılıkta büyük ölçekli üretimde kullanıldığı ilk örnek, dünyanın en büyük yolcu uçağı Airbus A380 verilebilir. Uçağın %20’den fazlası karbon fiber katkılı plastik, cam fiber katkılı alüminyum gibi kompozit malzemelerden üretilmiştir. (TTGV, 2020)

İleri malzemeler ise yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılan yüksek katma değerli malzemelerdir. Bu malzemeler, genellikle çok özel görevler göz önünde bulundurularak, yüksek performanslı olacak şekilde geliştirilir veya tasarlanır. İleri malzemeler, tokluk, sertlik, dayanıklılık ve esneklik gibi üstün özellikleriyle geleneksel malzemelerden daha iyi performans gösterir. Kullanım alanlarına baktığımızda ileri malzemeler, mühendisliğe dayalı sektörlerde (kimya, seramik, demir-çelik, demir-dışı, makine-mekanik, elektrik-elektronik, optik-biyomedikal ve ölçüm cihazları gibi) hammadde, yarı mamul veya mamul olarak karşımıza çıkmaktadır. Yine de ileri malzemeler ile geleneksel malzemeler arasındaki ayrım, her zaman net olarak ortaya konamamaktadır. Geleneksel malzemelerde yapılan yenilikler sonucu bunlar da ileri malzeme grubuna girebilecek nitelikler kazanabilmekte ve ileri metal, ileri seramik, ileri polimer veya ileri kompozit malzemeler olarak ifade edilmektedir. (Kimya ÖİK, 2001)

İleri Malzeme Türleri

Doğası gereği, ileri malzeme araştırmalarının kapsamı ve potansiyel uygulamaları çok geniştir. Mevcut malzemelerin sürekli iyileştirilmesi ve endüstriyel ihtiyaçlara uygun yenilerinin geliştirilmesi nedeniyle ileri malzeme türlerini net bir çerçeveye oturtmak zordur. Yine de en yaygın sınıflandırmayı esas alarak ileri malzeme türleri; yarı iletkenler, biyomalzemeler, nanomalzemeler ve akıllı malzemeler başlıkları altında incelenebilir. (İstanbul Ticaret Odası, 2005)

1. Yarı iletkenler

Yarı iletkenler, son elli yılda elektronik ve bilgisayar endüstrilerinde devrim yaratan mikroçiplerin ortaya çıkmasını mümkün kılmıştır. Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler, elektronik cihazları daha küçük, daha hızlı ve daha güvenilir hale getirmiştir. Yarı iletken malzemeler günlük hayatın vazgeçilmezi telefon, tablet, bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazların içinde yer alan silikon tabanlı çiplerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Silikon malzemelerin yapı taşını oluşturan silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden bir olup işlenmesi kolay ve ucuzdur. Buna karşın elektronik devrelerde kullanılan enerjinin yarısı silikon tabanlı çiplerde zayi olmaktadır. Günümüzde artık silikon tabanlı yarı iletken malzemelerin performans sınırlarına ulaştığı kabul edildiğinden bilim insanları enerji kayıplarını azaltacak yeni malzeme ve teknolojiler arayışındadır. Yarı iletken malzemelerle ilgili buluşlara her geçen gün bir yenisi eklenmektedir. (Enerji Günlüğü, 2016)

Yeni nesil yarı iletken malzemeler arasında bir adım öne çıkan Galyum Nitrat (GaN), yüksek ısı dayanımı, voltaj ve akım kapasitesi ile silikondan çok daha yüksek performans ve enerji verimliliği vadetmektedir. Konunun uzmanları, mevcut tüm elektronik devreleri GaN’dan yapılanlarla değiştirmekle enerji tüketiminin yaklaşık % 15 ila 20 oranında azaltılabileceğini öngörmektedir. Halihazırda yüksek ısı dayanımı gerektiren enerji nakil hatları, fotovoltaik paneller, uydular, hızlı trenler ve savunma sanayi radar sistemlerinde kullanılan GaN, çip teknolojisinde silikonun yerini alma potansiyeline sahiptir. (The Silicon Review)

• Nanomalzemeler

Yakın zamana kadar, bilim insanlarının malzemelerin kimyasını ve fiziğini anlamak için kullandıkları genel prosedür, büyük ve karmaşık yapıları incelemek ve daha sonra bu yapıların daha küçük ve daha basit olan temel yapı taşlarını araştırmak olmuştur. Buna karşın, tek tek atomların ve moleküllerin gözlemlenmesine izin veren taramalı elektron mikroskobunun icadıyla birlikte atomik seviyedeki bileşenlerden yeni malzemeler tasarlamak mümkün hale gelmiştir. IBM’de çalışan fizikçi Don Eigler, 1989 yılında atomları tek tek işleyen ve konumlandıran ilk kişi olmuştur. Nanoteknoloji, boyutları 1 ila 100 nanometre (metrenin milyarda biri) arasındaki malzemelerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik yapılarını araştıran, disiplinler arası bir bilim dalıdır. Nanomalzemeler ise nanoteknolojinin temelini oluşturmaktadır. Bilim insanlarını en çok heyecanlandıran, malzemelerin nano boyutta makro boyuttan farklı davranması ve özelliklerini kayda değer biçimde değiştirmesidir. Böylece malzeme bilimciler, atomları yeniden dizayn ederek istenen optik, mekanik, elektriksel ve manyetik özellikleri geliştirme fırsatı bulmaktadır. Günümüzde nanomalzemelerin güneş kremlerindeki UV filtrelerinden elektrikli arabalardaki lityum-iyon pillere kadar çok çeşitli kullanım alanları mevcuttur. (PennState University)

Nanomalzemeler alanında çığır açan buluşların başında karbon elementinin şekilde görülen farklı moleküler dizilimleriyle oluşturulan grafen, grafit, fulleren ve karbon nanotüpler gelmektedir.  Karbon temelli nanomalzemeler çelikten kat kat güçlüdür, ancak inanılmaz derecede hafif ve esnektir. Elektriksel ve termal olarak iletkendir ancak aynı zamanda şeffaftır. 2004 yılında keşfedilen grafen, dünyanın ilk 2-boyutlu malzemesidir ve bir saç teli çapından bir milyon kat daha incedir. Karbon nanotüpler ise grafenin silindirik olarak katlanmış halidir. Bu malzemelerin aşınma ve kırılma direnci, antistatik özellikleri ve hafiflikleriyle endüstriyel üretimde devrim yaratması beklenmektedir. (Arseven M.)

2019 yılında MIT araştırmacıları, geleneksel silikon muadillerine göre daha hızlı ve daha yeşil bir alternatif olarak görülen karbon nanotüp transistörlerinden yeni nesil bir mikroişlemci geliştirmiştir. 2020 yılında ise bunu günümüz bilgisayar endüstrisinin omurgasını oluşturan silikon bazlı transistörleri üretmek için kullanılan ticari bir tesiste, aynı ekipmanlarla üretmeyi başardı. Böylece karbon nanotüp transistörleri, ticari gerçekliğe bir adım daha yaklaştı. (MIT News)

2020 yılında Almanya’daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, bir fotovoltaik (güneş) pilin tüm bileşenlerinin karbon nanotüpler ve bunların kompozitleri ile değiştirilebileceğini ortaya koymuştur. Bu bakımdan fotovoltaik sistemlerde karbon nanotüp uygulamalarının önündeki engellerin kalkmasıyla bu teknolojinin endüstriyel üretiminin yaklaştığını söylemek mümkündür. (PV Magazine)

• Biyomalzemeler

Bu genel başlık altında sıklıkla birbirinin yerine de kullanılan dört malzeme türü yer almaktadır:  biyolojik, biyo bazlı, biyomimetik malzemeler ve biyomalzemeler. Biyolojik malzemeler; canlı organizmalar tarafından üretilen kan, kemik, proteinler, kas gibi organik materyallerdir. Biyo bazlı malzemeler ise canlı organizmalardan türetilen ancak diğer uygulamalar için yeniden kullanılan malzemelerdir. Örneğin, ilaç sentezinde kullanılan ve mikroplar tarafından üretilen enzimler gibi. Biyomimetik malzemeler, canlı organizmalar tarafından üretilen malzemelere fiziksel veya kimyasal olarak benzeyen malzemelerdir. Biyomalzemeler ise biyolojik uygulamalarda kullanılmak üzere özel olarak oluşturulmuş malzemelerdir. Bu uygulamalar arasında kemik replasmanı, deri replasmanı, kontakt lensler, yapay organ ve uzuvlar yer almaktadır. Biyomalzemeler vücuda yerleştirildiği için toksik maddeler üretmemeli, vücut dokuları ile uyumlu olmalıdır. (PennState University)

Biyomalzemelerin kullanım alanları ve uygulamaları tekstilden moda-tasarıma, mimariden inşaata sürekli olarak çoğalmaktadır. Son zamanlarda “tasarım odaklı” (design-driven) malzemeler adıyla sıkça duyulmaya başlayan bu alanda heyecan verici gelişmeler yaşanmaktadır. Örneğin, birkaç yıl önce İtalyan bir girişimci, narenciye meyvelerinden gelen atıkların işlenmesiyle elde edilen ve Orange Fiber adıyla patentini aldığı bir biyomalzeme geliştirerek H&M’in sürdürülebilir etiketli koleksiyonlarına ürün vermiştir. Japon biyoteknoloji girişimi Spiber ise tamamen sentetik örümcek ipeğinden yapılan dünyadaki ilk spor giysisi Moon Parka’yı The North Face markası işbirliğiyle geliştirmiş ve sınırlı sayıda piyasaya sürmüştür. (Life Gate)

Şekil 3: Biyomalzeme ürün örnekleri (orangefiber.it, spiber.inc)

• Akıllı Malzemeler

Akıllı malzemeler, biyolojik davranışı taklit etmek için tasarlanmış, tıpkı biyolojik sistemler gibi dış uyaranlara yanıt veren malzemelerdir. Akıllı malzemeler sıcaklık, nem, basınç, ortamın pH derecesi, elektriksel ve manyetik alan gibi dış etkenler karşısında istenilen tepkileri verir. Söz konusu tepkiler; şekil, renk veya saydamlık, iletkenlik veya su geçirgenlik değişimleri şeklinde gözlenebilir. Akıllı malzeme türleri arasında şekil hafızalı alaşımlar, fotovoltaik malzemeler, renk değiştiren malzemeler ve akıllı polimerler yer alır. Bunlardan en yaygın kullanılanı şekil hafızalı alaşımlar olup deformasyon sonrası orijinal şekillerine kendi kendine dönebilen malzemelerdir. Örneğin, sağlık sektöründe kullanılan ortodontik diş telleri, stentler, endodonti aletleri, ortopedik ürünler gibi. (PennState University)

Akıllı malzemelerin mimaride kullanımına örnek olarak Japonya’nın Osaka kentindeki 145 metre yüksekliğinde Dowa Kasai Phoenix Kulesi sayılabilir. Kulenin inşaatında kullanılan akıllı malzemeler, deprem ve rüzgarın neden olduğu titreşimleri algılayıp harekete bağlı olarak mekanik özelliklerini değiştirmekte ve sarsıntıları emerek binadakilerin hissetmemesini sağlamaktadır. Helikopter ve uçaklardaki gürültüyü azaltma sistemleri de akıllı malzeme teknolojisine dayanır. Sağlık sektöründe kontrollü ilaç salınımı uygulamalarında ise akıllı polimerler karşımıza çıkmaktadır. Örneğin, pH 1-2 civarında iken midede, pH 7 üzerinde olduğunda bağırsakta, ya da vücut sıcaklığı 37 ⁰C’yi geçtiğinde ilaç salınımı yapan akıllı polimerler mevcuttur. (Okay O., 2003)

 “Kendini iyileştiren” (self-healing) malzemeler ise yeni ortaya çıkan bir akıllı malzeme türüdür. Isı, ışık, çözücüler (solvent) gibi harici uyaranlar altında hasarlarını kendiliğinden veya uyarılmış olarak onarabilmektedir. Kendini iyileştiren malzemeler, özellikle biyomedikal, elektronik, havacılık ve kaplama alanındaki uygulamalarda öne çıkmaktadır. Örneğin, Carnegie Mellon Üniversitesi ve Tokyo Üniversitesi’nden araştırmacılar, kertenkele kuyruğu ve denizyıldızı kollarından ilham alarak kendini iyileştiren polimer esaslı yeni bir kompozit malzeme üretmeyi başarmıştır. Söz konusu malzeme ampute uzuv ve organların tedavisinde çığır açabilir. (cmu.edu) Yapı sektöründe çığır açması beklenen bir örnek ise kendini onarabilen betondur. Hollanda Delft Teknik Üniversitesi’nde geliştirilen ve Basilisk Concrete tarafından ticarileştirilen bu teknolojiyle bakteriler, su ve havayla temas ettiğinde tetiklenerek kireçtaşı üretmekte ve böylece betondaki çatlakları onarabilmektedir. (basiliskconcrete.com)

Sonuç olarak, malzeme teknolojilerindeki gelişmeler toplumları derinden etkilemiştir ve etkilemeye devam etmektedir. Özellikle 1970’lerden bu yana; ileri malzemelerin, yeni üretim süreçlerinin ve günlük hayatımıza giren cihazların sayısında eşi görülmemiş bir artış yaşanmıştır. Malzeme teknolojilerindeki gelişmeler, toplumların üretim ve tüketim alışkanlıklarını da şekillendirmektedir. Günümüzde ileri malzemelerin kullanımıyla elektrikli araçlar, robotik uygulamalar, sensörler, giyilebilir teknolojiler, temiz enerji, insansız hava araçları ve uzay teknolojilerinde yaşanan sıçramalar toplumları da dönüştürmektedir. Malzeme bilimcilerinin maddeyi nano ölçekte kontrol etme ve değiştirme yeteneği sayesinde yakın gelecekte sosyal ve ekonomik düzende yeni paradigma değişimlerine tanıklık etmemiz kaçınılmaz görünmektedir.

Kaynakça

• TTGV, “Endüstriyel Üretimin Geleceğinde Malzeme Teknolojilerinin Yaratacağı Etkiler”, Ağustos 2020.
• İstanbul Ticaret Odası, “İleri Malzeme Teknolojileri Sektör Raporu”, Ekim 2005.
• 8. Beş Yıllık Kalkınma Planı, Kimya Sanayii Özel İhtisas Komisyonu Raporu- Yeni Malzemeler Alt Komisyonu Raporu, 2001.
• European Commission, “From Advanced Materials Research to Innovation and Growth”, April 2017.
• Arseven M., “Nanokarbon ve Formları”, Hacettepe Üniversitesi İleri Malzemeler Araştırma Grubu, Aralık 2010.
• Okay O., “Polimerik Malzemelerin Bugünü ve Yarını”, İstanbul Teknik Üniversitesi, Aralık 2003.
• The Pennsylvania State University, College of Earth and Mineral Sciences, e-Education Institute
• Materials in 2020
• Enerji Günlüğü
• MIT News, “MIT engineers build advanced microprocessor out of carbon nanotubes“
• CMU News, “Self-Healing Devices Gain or Regain Function After Being Cut”
• PHYS “Making the new silicon: Gallium nitride electronics could drastically cut energy usage”
• PV Magazine, “Carbon nanotubes in search of a solar niche“
• Life Gate, “The future belongs to biomaterials. How designers are taking up the challenge”
• The Silikon Review, “Gallium Nitride could replace silicon in electronics“
• Malzeme Bilimi, “Geleceğe yön veren malzeme Grafen“
• Strategic Intelligence