Mahmure

Magazin

Magazin Gündemi

Seramik: Geleceğin malzemesi

Seramik: Geleceğin malzemesi

Biraz killi toprak suyla karıştırılır, sonra... Seramiğin inanılmaz başarı öyküsü, yaklaşık 20 bin yıl önce böyle başlamıştı. Peki insanoğlunun en cesur hayallerini gerçekleştiren bu maddenin sırrı ne?

Almanya'nın Buching kentinde bulunan ve çevreden pek de dikkat çekmeyen bir binalar kompleksinde, teknoloji tarihine geçecek yeni bir başlık daha yazılıyordu. Kapalı kapılar ardında, grafit seramiğinden küçük silindir şeklinde bir piston üretildi. Gece kadar siyah ve 50-100 milimetrelik yarıçapa sahip bu küçük mucize, yeni kuşak otomobil motorlarında devrim yaratmaya hazırlanıyor.

Buching'deki Sintec Seramik GmbH şirketinin yöneticisi Ulrich Goetz, gelecekte bütün motorlu araçların karbon pistonlarla çalışacağını iddia ediyor. Şimdiye kadar kullanılan alüminyum örnekleriyle kıyaslandığında pek çok avantaj sunuyor: çok daha güçlü, yakıt ve yağ kullanımından tasarruf sağlıyor, daha hafif, zararlı emisyonlar daha düşük ve sıcağa karşı daha dayanıklı. Dirençli ve ucuz, doğaya saygılı ve sağlıklı. Araştırmacıların, mühendislerin ve endüstrinin düşleriyle isteklerini harekete geçiren bu madde, 21. yüzyılın kilit malzemelerinden biri olarak nitelendiriliyor.

Yüksek teknolojide kullanılacak
Seramiğin sadece mutfak ve banyolara döşenen fayans ve karoların üretiminde kullanıldığı dönemler çoktan geride kaldı. Yüksek teknoloji üretim teknikleri ve mükemmelleştirilmiş sentetik hammaddeler, o basit seramiği, sadece otomobillerde değil, hava, uzay ve raylı sistem araçlarında, bilgisayar ve makine üretiminde, tıpta, elektrik nakil sistemlerinde, üretim teknolojisinde, ev işlerinde de kullanılabilecek esnek bir yüksek teknoloji harikasına dönüştürdü.

Günümüzün en çağdaş ve teknolojik maddesi, ilginçtir ki, aynı zamanda insanların ürettiği ve kullandığı en eski sanatsal malzeme. Öyküsü 20 bin yıldan önceye, insanoğlunun su karıştırıldığında kilin yoğrulabilir ve şekil verilebilir olduğunu keşfettiği Eski Taş Devri'ne kadar uzanıyor. Kilden yapılan kırılgan formlar, ateşte bırakıldığı zaman sertleşiyor ve daha dayanıklı hale geliyordu. Bu, teknik gelişim tarihi açısından çok önemli bir andı.

Geçmişte seramik
El sanatları alanında ilk üretilenler, büyük olasılıkla ibadet amaçlı kullanılan ve insan ile hayvanları tasvir eden kil heykelciklerdi. Neolitik Çağ'da (M.Ö. 6.-2. yüzyıllar) kilden heykellerin yanı sıra, günlük kullanım amacıyla kaplar da üretiliyordu. O zamana kadar su ve hamur tekneleri ağaçtan oyuluyor, keseler tabaklanmış hayvan derilerinden dikiliyor ve su kapları kurutulmuş kabaklardan yapılıyordu. Ama ateşte pişirilen kil kaplar ve tencereler yiyecekleri ve sıvıları daha iyi saklıyordu.

Bu, özellikle besin maddelerinin saklanmasında ve ticari faaliyetlerde eşsiz bir adım oldu. Şerit halinde süslemeleri olan kilden kaplar, bütün Avrupa'da ve Asya'da çok sevilerek üretilen, satılan eşyalardı. Arkeologlar, kısmen bu sanatsal süslemelerden yola çıkarak kapların anavatanını bulabiliyorlar.

Zanaatkârlar, bu maddenin yapısını ve işlenme tekniklerini adım adım geliştirdiler. Killi toprağa ayrıca doğada bulunan feldspat ve kuvars gibi mineral maddeler karıştırıldığında, testiler ve kapların daha dayanıklı olduğunu keşfettiler. Bunun yanında, sahip olacağı sertliğin yakılırken ortamda oluşan sıcaklıkla, koyu kahve rengin de hava akımı miktarıyla doğru orantılı olduğunun farkına vardılar. M.Ö. 3500'lü yıllarda bu bilgilere çok önemli yeni bir bulgu daha eklendi:

Mezopotamya'da ilk çömlekçi tornası geliştirildi. Bu, killi toprağın şekillendirilmesi konusunda çok geniş olanaklar sağladı. Artık, dışı geometrik şekiller ve hayvan resimleriyle işlenmiş karınlı vazolar ve ince boyunlu sürahiler üretilebiliyordu.

Kuvars ve feldspat ile zenginleştirilmiş kilin yakılarak kahverengileştirildiği bildik üretim yöntemi Ortaçağ'a kadar kullanıldı. Avrupa'da başka bir teknik bilinmiyordu. Ama bir gün, Asya'ya seyahat eden gezginler, Çin'den eşsiz bir hazine getirdiler. Bunlar, genellikle dışı çok güzel renklerle süslenmiş ince ve beyaz fincanlardı. Avrupa'da bu değerli seramik ürününe porselen adı verildi ve hemen, sadece krallar, prensler ve zengin soyluların elde edebileceği bir statü simgesi haline geldi.

Porselenin gizi
Peki porselen nasıl üretiliyordu? Avrupalılar uzun süre bunun sırrını çözemediler. Uzakdoğuluların geliştirdiği reçeteyi çözmek için yıllarca uğraşıp durdular. Ta ki o rastlantıya kadar... 18. yüzyılda Saksonyalı dük Güçlü August, simyacı Johann Friedrich Böttger'e kendisi için altın üretmesini emretmişti. Simyacı başarısız oldu.

Ama çok sayıda sistematik deneyden sonra onun yerine "beyaz altın" olarak tanımlanan porseleni buldu. Beyaz porselen ile önceden kullanılan kahverengi kaplar arasındaki fark neydi? Fark, fırınlamanın daha yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilmesi, feldspat ile kuvarsın bilinenden daha farklı oranlarla karıştırılması ve bunlara bir de kaolinin eklenmesinden kaynaklanıyordu. Kaolin (adını, Çin'in Kiangsi bölgesinde bulunan Kao-ling adlı dağdan alıyor), içinde bitki kalıntıları ya da başka mineraller bulunmayan saf bir kil mineraliydi. Bu mineralden Almanya'nın Meissen çevresindeki bölgelerde bolca bulunuyordu.

Porselen fırınlanırken neler meydana geldiği, ancak günümüz teknolojisinin sunduğu olanaklarla aydınlatılabildi. Elektron mikroskobuyla yapılan incelemelerde, kuvars ve feldspatın bu esnada camsı bir malzemeye dönüştüğü görüldü. Bu malzeme, porseleni bir arada tutup aynı zamanda şeffaflaştırıyordu. Sıcaklık altında kaolin de değişiyor ve iğnemsi kristallere dönüşüyordu. Kristallerin üstü cam eriyik ile kaplanıyor ve porselene dayanıklılığını veriyordu.

Sanayi alanına giriyor
19. yüzyılda başlayan Endüstri Çağı'yla birlikte seramik için yeni bir dönem başladı ve teknolojiye de giriş yaptı. Sanayi alanındaki ilk kullanım alanları çok önemliydi. Porselen dışında hiçbir madde elektrik nakil hatlarının izolasyonu için daha uygun olamazdı. Ancak porselen izolatörler sayesinde geniş arazilere elektrik nakli yapılabildi.

Yine buji ve yüksek frekans tekniği alanında kullanılan yapı elemanları, aside dayanıklı pompalar ve supaplar da yıllardır seramikten üretiliyor. Son zamanlarda bunlara mikroişlemciler için elektronik devrelerin döşendiği incecik plaklar da dahil oldu. Örneğin tekerlekli patenlerde kullanılan seramik bilyeler ve bunların yerleştirildiği seramik yuvalar da oldukça kullanışlı. Çelik bilyelere oranla çok daha hafifler, daha yüksek devir sayısına ulaşıyorlar ve her şeyden önce verimli çalışması için yağlanmaları gerekmiyor.

Her ne kadar seramik (Yunanca'daki keramos'tan geliyor) ilk ortaya çıkışı itibariyle "kil" anlamına gelse de, son zamanlarda üretilen yüksek teknoloji seramiklerinin kuvars, feldspat ve killi topraktan oluşan klasik karışımla bir ilgisi kalmadı. Seramik kelimesi günümüzde, çok farklı bağlardan oluşan, metalik ve organik esaslı olmayan tüm malzemeler için kullanılan genel bir kavrama dönüştü.

Üç binli yılların başlamasıyla birlikte teknolojideki gelişmeler yeni ufuklara yöneldi. Amaca uygun üretilen seramik malzemeler, teknoloji alanında hiç tahmin edilemeyecek olanaklar sunuyor insana. Örneğin, bugüne kadar alüminyum hafif ve esnek bir malzeme olduğu için otomobil, uçak ve makine üretiminde gözdeydi. Ama şimdi seramik bu malzemeyi bile tahtından etmeye hazırlanıyor.

Almanya'da Erlangen Üniversitesi Malzeme Bilgisi ve Metalürji Bölüm başkanı Robert Singer, magnezyumu en hafif metal haline getirmenin yollarını ararken, yaptığı deneylerle seramiğe ulaşmıştı. Seramik ile metal eriyik karıştırılınca, katılaşma sırasında bünyesindeki ince duvarlı seramik boş kürecikler metal matrisin içine yerleşiyordu.

Böylece ekonomik ve kullanışlı bir hücresel kompozit çıkmıştı ortaya. Birçok yönden tahta ve kemik kadar hafif, ama buna karşılık dayanıklı, üstelik yüksek bir mekanik stabiliteye sahip doğal malzemelere benziyordu. Üretimi yapılacak gelecek kuşak, büyük hacimli yolcu uçaklarının dış kaplaması için idealdi, çünkü inanılmaz enerji tasarrufu sağlıyordu.

Araştırmacılar, doğayı gözlemleyip ondan bir şeyler öğrenmenin her defasında çok yararını görmüşlerdi. Bu deneyimlerinden yola çıkarak, seramiği daha sert bir malzemeye dönüştürmenin yollarını aramak için elması mercek altına aldılar. Yeryüzünde şimdiye kadar bilinen en sert malzeme olan elmas, saf karbondan oluşuyor.

Yüksek performanslı seramikler
Kuşkusuz üretim alanında kullanılamayacak kadar pahalı bir malzeme. Bu nedenle, yapısı ve özellikleri elmasa yakın seramik kompozitler geliştirmeyi denediler. Bunlar bilimsel literatürde "Yüksek Performanslı Seramikler" olarak kullanılıyor.

"High Performance Ceramics" tanımı, mühendisler için yeni ve inanılmaz olanaklar sağlayacak malzemeleri anlatıyor. Elmas kadar sert olmasının yanında paslanmaya, yüksek sıcaklığa ve aşınmaya karşı dayanıklı, üstelik oldukça da hafif. Şimdiden uçak ve makine üretiminde; enerji, ısı ve tıp teknolojisinde kullanılmaya başladı.

Ancak, bu mucize malzemenin zayıf olduğu bir alan vardı: Metal malzemelere göre kırılgan bir yapıya sahipti. Mekanik yük arttıkça metal ya da plastik gibi yavaş yavaş şekil değiştirmiyor, kuru tahta gibi kırılıyordu. Ama bu sorun için de çözümler üretildi. Japon Materyal Bilimi Enstitüsü araştırmacıları, sert oksit seramikleri yüksek sıcaklıkta balmumu kadar yumuşak bir malzemeye dönüştürdüler.

Bu seramik eşit miktarlarda zirkonyum oksit, alüminyum oksit ve magnezyum-alüminyum-oksit karışımından oluşuyordu. Karışım 1650 santigrat dereceye kadar ısıtıldığında bir sürpriz yaşandı: Elde edilen malzeme, eskiden olduğundan on kat daha fazla esneyebiliyordu. Başka bir deyişle, her bir kristaliti, ortalama milimetrenin 200 milyonda biri büyüklükte olan çok kristalli bir yapıya sahipti.

Almanya'nın Stuttgart kentinde bulunan Max Planck Enstitüsü'ne bağlı Metal Araştırmaları Bölümü uzmanları da bu yönde deneyler yaptılar. Stronsiyumtitanat-seramiğin, mekanik baskı ve 1.000 derece sıcaklık altında alüminyum gibi şekil değiştirebildiği ve bu şeklini uzun süre koruyabildiği sonucuna ulaştılar.

Başka uzmanlar ve mühendisler de sıvı silisyum ile başarılı sonuçlar elde ettiler. Özellikle uçak motorlarındaki büyük türbinlerin üretimi ya da güç santralleri başta olmak üzere, geniş bir alanda kullanılabilecek güçlendirilmiş seramik hücreli bir kompozit madde yarattılar. Bu alanlarda kullanılan parçalar, genellikle, en fazla 1.000 santigrat derece çalışma sıcaklığına dayanıklı metal süper alaşımlardan yapılıyordu.

Sıcaklığa dirençli
Halbuki daha yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, örneğin motorların verimini artırabilirdi. Metalden üretilen parçalarda bu sıcaklık sınırını aşma denemeleri başarısız oldu. Ancak, yüksek performanslı seramiklerle üretilen türbin yapı parçaları, bu sorunu büyük olasılıkla ortadan kaldıracağa benziyor. Testler, türbinlerin 1.500 dereceye kadar çalışma sıcaklığını tolere edebildiğini gösterdi.

Bu arada seramikten otomobil frenleri de üretildi. Bu sanat eserini yapmayı, 30 yıldır Porsche'nin araştırma ve geliştirme bölümünde çalışan Roland Martin başardı. Martin, seramiğin kırılganlığını ortadan kaldırmak için, 1.700 santigrat dereceye kadar ısıtılmış özel fırınlarda seramiği karbon lifleriyle fırınladı. Seramik frenlerin sunduğu avantajı mucidi kendi kelimeleriyle şöyle anlatıyor: "Seramik daha yüksek sürtünmeye olanak sağlıyor ve daha hafif, paslanmıyor ve aşınma değeri çok düşük."

PCCB (Porsche Ceramic Composite Brake), otomobil ömrünü tamamlayıncaya kadar ya da 300.000 kilometre boyunca dayanıyor. Ama henüz çok pahalı. Porsche'nin 175.000 euro değerindeki 911 GT2 modeli için yaklaşık 7.800 euro değerinde fren sistemi üretiliyor.

Daimler Chrysler de bu gelişmeden geri kalmayıp hemen spor coupe CL 55 AMG F1 Limited Edition için karbon seramikten benzer bir fren sistemi geliştirdi. 165.000 euro değerindeki bu özel model, 55 örnekten oluşan bir özel üretim serisi olarak pazara sunuldu. İki ünlü otomobil markası arasındaki bu teknoloji düellosunun, yakın bir zamanda normal otomobillerin de bu şekilde donatılmasına kadar gitmesi bekleniyor.

Her yerde kullanılıyor
Seramiğin yeni kullanım alanlarının yer aldığı yelpazenin sonu gelmiyor. Bir yerde fren, başka bir yerde bütün bir motor veya minyatür bir motor olarak karşımıza çıkıyor. Dortmund'daki bir şirket, kısa süre önce seramikten inanılması güç minyatür bir motor geliştirdi. Bu motora elektrik akımı verildiğinde, yapısı nanometrik düzeyde değişim gösteriyordu. Ortaya çıkan bu hareket, bütün bölümde kontrollü salınımlara neden oluyor.

Bu titreşimler, örneğin bir tekerleği döndürmeye yetiyor. Bütün bu işlem, piezzoefektine (bilim dünyası tarafından uzun süredir bilinen ve piezein, yani basınçtan kaynaklanan bir fenomen) dayanıyor: Başta seramik materyaller olmak üzere, bütün malzemeler elektriksel gerilim altında deforme oluyor ve bu arada kullanılabilir titreşimler ortaya çıkıyor. Dortmund'da geliştirilen piezo mini motorların, gelecekte bilinen elektronik motorların yerini alması bekleniyor.

Normal motorlara göre çok daha küçük, çalışırken ses çıkarmıyor, basit bir elektronik sistemle kontrol ediliyor ve bugüne kadar görülmeyen hassaslıkta devinime yol açıyor. Bu motorun, şimdi öncelikle otomobillerde, klimalarda, tarayıcılarda, bilgisayarlarda, baskı ve fotokopi makinelerinde ve oyuncaklarda; seri üretime geçildikten sonra da uçaklarda, ekskavatörlerde ve trafik lambalarında kullanılması amaçlanıyor.

Şimdiye kadar kullanılan malzemelerin çoğu, geniş ölçüde cazibesini yitirdi ve artık fiziksel kapasitesinin sınırına dayandı. Buna karşılık, seramik yeni boyutlara kapı açıyor. Kısa süre sonra mutfaklarda da bir devrim yaşanacağını belirtiyor uzmanlar. Schwaben'de, ısıtma levhalarının altı seramik hatlarla döşenmiş mutfak ocakları geliştirilmiş. Üstüne tencere konduğu zaman, sadece tencerenin tabanının temas ettiği yerler ısınıyor. Bu sistem yüzde otuz oranında enerji tasarrufu sağlıyor.

Tıp için önemli
Seramiğin tıptaki kullanım alanları da çok geniş. Vücudun direnç göstermediği alüminyum-oksit seramiklerden yapılan yapay kalça eklemi, hastanın yeniden ağrı hissetmeden yürümesini sağlıyor. Berlin'deki Charité Tıp Fakültesi'nde ince seramik tozlarının kullanıldığı bir kanser tedavisi deneniyor. Bu tedavi sırasında özel seramik partikülleri tümörlerin içine enjekte ediliyor ve sonra manyetik alanlar yardımıyla ısıtılıyor. Böylece kötü huylu hücreleri parçalayarak kanseri yenmeyi hedefliyorlar.

Tam seramikten üretilen dişler de artık bir ütopya olmaktan çıktı. Bugüne kadar metal içermeyen diş taçlarının dayanıklı olmadığı düşünülüyordu. Ama artık metal içermeyen seramik dişler üretilebiliyor. Hem dayanıklı ve kullanışlı, hem de estetik.

Seramik, kuşkusuz askeri alanda da kullanılıyor. Asker ve polis için üretilen koruyucu yelekler, zırhlı araçlar ve helikopterlerdeki pilot kabinleri seramik malzemelerin yardımıyla kurşun geçirmez hale getiriliyor. Artık seramikten kumaş bile üretilebiliyor. Araştırmacılar bunun için yapay lifleri incecik seramik tozuyla kaplıyorlar. Sonra 1.200 santigrat derecelik sıcaklıkta, taşıyıcı dokuma yakılarak yok ediliyor. Geriye, örneğin dayanıklı bir süzgeç görevini üstlenebilecek bir filtrasyon dokusu kalıyor.

Bu tarz buluşlar çok sayıda sanayi dalının ilgisini uyandırdı. Bu melez malzemenin, çeşitli yerlerde çok farklı görevler üstlenebileceği anlaşılınca, birçok alanda yeni pazarlar oluşturuldu. Ancak, gelişmeler ilginç bir şekilde geçmişe doğru yöneldi. 5000 yıl önce Sümerler mesajlarını kil tabletler üzerine kazıyorlardı. Şimdi ise, yüksek teknolojiyle üretilen özel bir malzeme olan ferroelektriksel seramikten zeki kartların üretilmesi düşünülüyor.

Bu malzemeyle hazırlanacak özel bir kart, aynı zamanda hem kimlik ve kredi kartı, hem de ehliyet ve sigorta kartı yerine kullanılabilecek. Akıllı kart, sınırsız yeni bilgilerle donatılabilecek, üstelik manyetik alanlardan da etkilenmeyecek ve hırsızlığa karşı güvenli olacak. Böylece, insanlık tarihinin en eski ve aynı zamanda en modern sanat malzemesi yeniden, uygarlık yolunun başlangıcındaki dayanıklı veri taşıyıcısı rolüne geri dönecek.
(Focus)
623
dahafazlası
YORUMLAR
Veri politikasındaki amaçlarla sınırlı ve mevzuata uygun şekilde çerez konumlandırmaktayız. Detaylar için veri politikamızı inceleyebilirsiniz.