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.