Şekil Hafızalı Alaşımlar

Şekil Hafızalı Alaşımlar

 

 On yıllar evvel hayal olan, bilim kurgu filmlerinde görüp “yok artık” dediğimiz nanoteknolojik gelişmeler, 2 boyutlu malzemeler, nano robotlar ve kuantum bilgisayarlar hayatımıza o kadar hızlı giriyor ki şaşırmaya bile fırsat kalmadan yeni yeni buluşlar ile karşılaşıyoruz…

Daha çok keşfedeceğimiz, öğreneceğimiz şey var! Onlardan biri de “Işık, ısı ya da nem gibi bir dış etkiyle eğilen, kıvrılan, genişleyen ya da büzüşen akıllı malzemeler”!

Terminatör filmlerinde gördüğümümüz şekil değiştiren robotları herhalde herkes hatırlıyordur. Bu robotlar çeşitli hasarlar aldığında hemen kendisini sıvı metal alaşım sayesinde onarabiliyordu.

Terminator 2 filminde, Robert Patrick’in canlandırdığı T-2000 adlı robot: Bütün parçaları sıvı metal alaşımdan üretilmişti! Bu sayede istediği herkesin kılığına girebiliyordu ve uzuvlarını kesici silahlara dönüştürebiliyordu.

Bu teknolojiye hiç uzak değiliz artık!

Öncelikle alaşım nedir ona bakalım:

Lise kimya müfredatından hatırlarız. Ametaller kendileri arasında ve metallerle bileşik oluşturabilirler ama metaller metaller ile istisnalar dışında bileşik yapamazlar. Ne yaparlar? Alaşım…

Her ne kadar alaşım kelimesi “metallerin karışımı” olarak tanımlanıyor olsa da, bu tanım bazı eksiklikleri içermektedir. Çünkü bazı alaşımlar metal ve metal olmayan elementlerin birleşmesiyle de oluşabilmektedir! Dökme demir alaşımı : metal(demir) ile metal olmayan (karbon) bir elementin karışımıdır.

Netleştirmek gerekirse alaşım; biri metal olacak şekilde en az 2 elementin birleşimidir. İnsanoğlunun değişik metallerden yaptığı ilk alaşım olarak, bronz ornek verilebi­lir. Bakır ile kalayı alaşım yaparak kullanmış ve bir çağı bronz çağı (M.Ö. yaklaşık 2500) olarak tanımlanmıştı. Çelik, demir ve karbon alaşımıdır. Lehim, kalay ve kurşun alaşımıdır. Pirinç, bakır çinko alaşımıdır. Dişçilerin dolgu amaçlı kullandığı gümüş amalgamıdır ve Civanın farklı metallerle oluşturduğu alaşım örneklerindendir.

Gelelim konumuza: “Martensitik yapıda bir dış kuvvet ile orijinal şekilleri bozulan malzemelerin östenit faz sıcaklığında orijinal şekline geri dönen ve östenitik fazda iken herhangi bir sıcaklık değişimine uğramadan, sadece üzerindeki stresin (basınç, yük) ortadan kalkması sonucu malzemenin ilk haline alması diye tanımı var!”

Bunu basitleştirelim biz:

Düşük sıcaklıklarda rahatça deforme edilebilen malzemeler, yüksek sıcaklıklarda eski hallerine dönebilirler. Bu malzemeler sadece ısıtma halinde “tek yönlü şekil hafızaya sahip malzemeler” olarak tanımlanırken, yeniden soğutma halinde ise “iki yönlü şekil hafızalı malzemeler” olarak adlandırılır. Bir malzemeye çok yüksek bir sıcaklıkta şekil veriyoruz ve sonrasında soğuttuğumuzda; o şekli ne kadar bozarsak bozalım, ısıttığımızda yine ilk haline ulaşacaktır! İşte bu şekil hafızalı alaşımdır!

Nedeni ise, şekil hafızalı alaşımların kristal yapılı atomları, düşük ve yüksek sıcaklıklarda dizilimlerinin farklılık göstermesidir..

Soğutulduğunda daha esnek bir yapıya geçerek şekil değiştirilebilirken, ısıtıldığında atomlar ilk konumlarına geri dönerken daha sert bir yapıya kavuşur…

Işık, ısı gibi bir dış etkiyle kendiliğinden şekil değiştirebilen malzemeler uzay araştırmalarında, robot teknolojilerinde ve sağlık alanında sıkça kullanılıyor.

Hafızalı alaşım; tıkalı kalp damarlarının açılmasını sağlayan stentlerin üretiminde kullanılan malzemelerden biridir. Hafızalı alaşımdan üretilen boru şeklindeki stentler tıkalı damara yerleştirilir. Şekil değiştirdiği sıcaklık vücut sıcaklığına yakın olan hafızalı metallerden üretilen stentler, sıcaklıkları vücut ısısının etkisiyle arttığında, şekil değiştirip genişleyerek tıkalı damarın açılmasını sağlar.

Örneğin: yine küçük araba kazalarında pek canımız yanmasa bile, maddi hasardan içimiz acıyor. Tam sinyalini verdin, park yerinden hareket edeceksin, aynada bir araç yok! “Hadi çıkayım dedin”! Dikkatsiz bir şöför hızla geldi, tampona vurdu. Gitti tampon! Ezik-büzük bir hal aldı. Ama eğer bu araba şekil hafızalı bir alaşımdan oluşsaydı, endişelenmeye gerek kalmazdı. Dökerdin üzerine bir kaynar su “hoop hemen ilk halini alırdı”…

Şekil hafızalı alaşımlar genellikle Nitinol ( nikel-titanyum ), CuSn ( bakır-kalay ), TiNiAu ( titanyum-nikel-altın) alaşım sistemleridir. Şekil hafızalı alaşımlar temelde üç gruba ayrılır. Bunlar nikel-titanyum alaşımları, bakır esaslı alaşımlar ve demir esaslı alaşımlardır. Ancak uygulamada en çok daha fazla ısıl kararlılığa sahip olan Ni Ti alaşımları kullanılır.

Nitinolün ilk keşfi William Buehler ve arkadaşları tarafından 1950’lerin sonlarına dayanır.

Time tarafından 1968’de yayınlanan bir makalede, William Buehler, nitinolün derin suda veya uzayda kullanılan araçların prefabrikasyonunda kullanılabileceğini belirtmiştir. NITINOL ismi, ilk dört harfini oluştuğu atomlardan, son üç harfini ise buluşu yapan kurumdan almıştır. ( Nikel – Titanyum – Naval Ordnance Laboratory).

1300°C erime noktasına ve 6,45 gr/cm3 yoğunluğuna sahip bir maddedir. Özellikle damar cerrahisinde kullanılan stent genellikle Nitinol’den yapılır.

NASA gezegenlerin keşfinde “Şekil Hafızalı Alaşım” tekerlekler kullanmaya başladı.

Nikel – titanyum alaşımından oluşan bu tasarım, aynı zamanda farklı fiziksel koşullar için esnek bir yapıya sahip. Bu yapısı dolayısıyla çeşitli engelleri aşarken şekil değiştirip tekrar eski şekline geri dönebiliyor.

Şekil hafızalı alaşımlar sayesinde belki çok yakında, kediliğinden kurulan yapılar sayesinde zamandan ve zahmetten tasarruf etmeye başlayacağız.