Beklenmeyen sonuç: Metaller kendi kendilerini onarabiliyor

Motorların, köprülerin ve uçakların kendi kendilerini onarabildiğini, yıpranma ve aşınmayla oluşan hasarların düzeldiğini, bu sayede daha güçlü ve daha uzun ömürlü olduklarını düşünün. Bilim insanları metal parçalarının çatlayıp, insanların müdahalesi olmadan tekrar geri kaynaştığına ve bu süreçte temel bilimsel kuramları geçersiz kıldıklarına ilk defa şahit oldular.

ABD’de yer alan Ulusal Sandia Laboratuvarları ve Texas A&M Üniversitesinde çalışan araştırma takımı, bulgularını yeni Nature bülteninde sundu.

Sandia’da çalışan malzeme bilimci Brad Boyce, “Bu olaya ilk elden şahit olmak kesinlikle nefes kesiciydi” diyor.

“Metallerin doğal şekilde kendilerini iyileştirme kabiliyeti bulunduğunu doğruladık; en azından nano ölçekteki yorgunluk hasarında böyle” diyor Boyce.

Populer Science Türkçe'de yer alan detaylara göre metal yorgunluğu olarak da bilinen yorgunluk hasarı, makinelerin aşınıp nihayetinde kırılmasına yol açan sebeplerden biri. Tekrarlı baskılar ve hareketler, mikroskobik çatlakların oluşmasına neden oluyor. Bu çatlaklar zamanla büyüyüp yayılıyor; ta ki kopana kadar. Cihazın tamamı kırılıyor veya bilimsel dilde akamete uğruyor.

BU ŞU ANA KADAR BİLİM KURGUNUN ALANINA GİRİYORDU

Boyce ve araştırma takımının kaybolduğunu gördüğü ise bu ufak ancak önemli; nanometreler ile ölçülen çatlaklardan biriydi.

“Elektronik cihazlarımızdaki lehim noktalarından arabalarımızın motorlarına ve üzerinden geçtiğimiz köprülere kadar bu yapılar, çatlamanın başlamasına ve nihai kırılmaya yol açan periyodik yüklenme sebebiyle sık sık ani bir şekilde akamete uğruyor” diyor Boyce. “Bozulduklarında ise değiştirme masrafları, kaybedilen zaman ve hatta bazı durumlarda yaralanma ve ölümlerle karşılaşıyoruz. Bu sorunların ekonomik etkisi, ABD’de her yıl yüz milyarlarca dolar ile ölçülüyor.”

Bilim insanları çoğunluğu plastikten oluşan ve kendi kendini onarabilen bazı malzemeler geliştirdiyse de, kendi kendini düzeltebilen metal kavramı şimdiye kadar çoğunlukla bilim kurgunun alanına giriyordu.

“Metallerdeki çatlakların giderek küçülmesi değil, büyümesi beklenirdi. Çatlak büyümesini tarif ederken kullandığımız bazı temel denklemlerde bile bu gibi düzelme süreçlerinin ihtimali olanak dışıydı” diyor Boyce.

Beklenmeyen keşif, kuramın fikir babası tarafından onaylandı. Michael Demkowicz, 2013 yılında geleneksel malzemeler kuramını aşındırmaya başladı. Bilgisayar ortamında yürütülen canlandırmalarla elde edilmiş bulgulara dayanan ve belli koşullar altında metallerin, yıpranıp aşınmayla oluşan çatlakları kaynaşarak kapatması gerektiğini gösteren yeni bir kuram yayınlandı.

Demkowicz’in kuramının doğru olduğu ise ABD Ulusal Sandia ve Ulusal Los Alamos laboratuvarlarının ortaklaşa işlettiği, ABD Enerji Bakanlığına bağlı bir kullanım tesisi olan Bütünleşik Nanoteknolojiler Merkezinde kazara keşfedildi.

“Hiç de aradığımız bir şey değildi” diyor Boyce.

Şu an Knoxville – Tennessee Üniversitesinde çalışan yardımcı profesör Khalid Hattar ve ABD Enerji Bakanlığının Nükleer Enerji Bürosunda çalışan Chris Barr, keşif yapıldığı zaman Sandia’da deney yürütüyormuş. Metalin uçlarını saniyede 200 defa tekrarlı şekilde çekmesi için geliştirdikleri özel bir elektron mikroskobu yöntemi kullanarak, nano ölçekli bir platin parçası üzerinden çatlakların nasıl oluşup yayıldığını değerlendirmeyi amaçlıyorlarmış sadece.

Deney başladıktan 40 dakika sonra ise şaşırtıcı bir şey olmuş ve hasar yön değiştirmiş. Çatlağın bir ucu, sanki geri geri adım atıyormuş gibi tekrar kaynaşmış ve önceki hasara dair hiçbir iz kalmamış. Çatlak zamanla farklı bir yöne doğru tekrar büyümüş.

Hattar bu olayı “Beklenmedik bir olay” şekilnde adlandırıyor.

Kuramdan haberdar olan Boyce, bulgularını Demkowicz ile paylaşmış.

“Tabii ki duyduğuma çok sevindim” diyor Demkowicz. Profesör daha sonra bu deneyi bir bilgisayar modeli üzerinde yeniden oluşturmuş ve Sandia’da şahit olunan bu olayın, kendisinin yıllar önce ileri sürdüğü şey olduğunu kanıtlamış.

Bu kendini iyileştirme işlemi hakkında, imalat ortamında pratik bir araç olup olmayacağı konusu da dahil olmak üzere hala bilinmeyen çok şey var.

“Bulguların ne kadar genele yayılabileceğini görmek için kapsamlı araştırmalar yürütülmesi gerekecek” diyor Boyce. “Bu olayın boşluk ortamındaki nanokristalize metallerde gerçekleştiğini gösterdik. Fakat havadaki geleneksel metallerde de tetiklenip tetiklenemeyeceğini bilmiyoruz.”

Tüm bilinmeyenlere rağmen keşif, malzeme biliminin sınırlarında ileri doğru atılan bir adım niteliğini taşıyor.

“Umudum o ki elde edilen bulgular, malzeme araştırmacılarının doğru koşullar altında malzemelerin hiç beklemediğimiz şeyleri yapabileceklerini düşünmeye teşvik edecek” diyor Demkowicz.