Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri

Yeni Malzemeler ve Üretim
Yöntemleri
Biomimetik
Yrd.Doç.Dr.Aysun AYDAY
“Gelişimin en kısa yolu taklittir !!!”
Bi-o-mim-ic-ry
• Yunanca: Bios: hayat mimesis: taklit
• Model olarak Doğa: Biomimikri yeni bir bilim dalı
olup doğanın modellerini inceler ve sonra onları
taklit eder veya onlardan esinlenir. Bu şekilde
insanların problemlerini çözmek için prosesler
tasarlar ve geliştirir.
• Ölçü (ölçek) olarak Doğa: Biomimikri doğanın
“ekolojik standartlar”ını kullanır. Ne yapılır? Nasıl
yapılır?
• Akıl hocası (yol gösterici-danışman) olarak Doğa:
Biyomimikri doğayı görme ve değerlendirmenin
yeni bir yoludur. Doğa yol göstericidir.
• Çok uzun zamanlardan beri var olan çalışmalar
arasında, en etkileyici çalışmalardan birisi Benyus‟a
ait. 1997 yılında Amerikalı doğa bilimci Janine Benyus,
“Biomimicry:
Innovation
Inspired
by
Nature”
(Biyomimetik: Doğadan İlham Alan Yenilik) adlı
kitabıyla konuyu dünyanın gündemine taşıdı. Benyus,
kitabının yayınlanmasının ardından 1998 yılında,
mimarlık firmaları, tasarım stüdyoları ve üreticilere
danışmanlık hizmeti veren Biomimicry Institute‟u
kurdu. Dernek tarafından kurumlara verilen Biomimicry
eğitimleri, onların doğadan esinlenerek yeni tasarımlar,
ürünler ve hizmetler yaratabilmelerini sağlıyor
• Biyomimetik
birçok
açıdan
bilim
insanlarının çalışmalarında önemli yer
tutuyor.
• Yenilikçiliğin en büyük gerekçesi eksikleri
kapatma arayışı ve mükemmeliyetçiliktir.
• Mükemmelin peşinde koşan insanoğlunun
kendini buna en yakın hissettiği yer,
mükemmeliyete sahip gözüken „doğa‟ ya
en yakın olduğu yerdir.
Doğanın Özellikleri
Janine Benyus, “Biomimicry: Inspired from the Nature” adlı
kitabında doğanın bazı özelliklerini şu şekilde tanımlıyor;
• Güneş ışığında canlanır (güneş altında çalışır),
• Enerjiyi yalnızca ihtiyacı kadar kullanır,
• Doğanın her zerresinde fonksiyon-şekil uyumu vardır (şekiller
fonksiyonlara göre biçimlenmiştir),
• Her şeyin geri dönüşümünü yapar,
• İşbirliğini ödüllendirir,
• Çeşitliliğe imkan verir,
• Lokal uzmanlık gerektirir (her bölgede o koşullara en iyi uyum
sağlayanlar bulunur),
• Kendi aşırılıklarını engeller,
• Gücü maximum verimle kullanır,
• ve belki de her şeyden önemlisi göze hitap eder
Biomimetik nedir?
• Biomimikri ve biomimetik
insan problemlerini çözmek için doğanın, onun
modellerinin, sistemlerinin, proseslerinin ve onu
oluşturan elemanların incelenmesi ve ondan ilham
alınmasıdır.
• Biyomimicry,
“Bio”
ve
“Mimic”
köklerinin
birleşiminden oluşmakta. Yani canlı ve taklit. Canlı
yapıların taklit edilmesi. Biomimicry, bu bilim
dalının adıyken, Biomimetik ise, genel olarak
bilimsel literatürde bir canlının özelliğinin taklit
edilme sürecidir, yani malzemenin geliştirilme
sürecindeki biyolojik tüm basamakları içinde
bulunduran sürece verilen literatür ismidir.
• doğadaki herhangi bir canlıya fonksiyonu, biçimi ve
mekanizma tamamen ya da kısmen taklit etmektir
Biyomekanik, biyomalzeme, biyolojik sistemler kavramları
hep biyomimetik‟in içindedir.
Biyomekanik, canlıların hareketlerinin anatomik prensiplerini
inceler ve bu prensipleri insan yapımı araçlara uygular. Biyomekanik
analizler, tüm bir organı veya organizmayı içine alan geniş bir alanı
kapsar
Hezârfen Ahmed Çelebi (d. 1609 - ö. 1640), 17.
yüzyılda Osmanlı'da yaşamış Müslüman Türk bilgini.
Kendi geliştirdiği takma kanatlarla uçmayı başaran ilk
insanlardan olmuştur. Çelebi, kuşların uçuşunu inceleyerek
tarihi uçuşundan önce hazırladığı kanatlarının dayanıklılık
derecesini
ölçmek
için,
Okmeydanı'nda
deneyler
yapmıştır. Ayrıca, Leonardo Da Vinci'nin uçma
konusundaki çalışmalarında kendinden çok önce bu
konuda deneyler yapan İsmail Cevheri‘ den ilham
aldığı sanılmaktadır.
1632 yılında lodoslu bir havada Galata Kulesi'nden kuş kanatlarına benzer
bir araç takıp kendini boşluğa bırakan ve uçarak İstanbul Boğazı'nı geçip
3358 m.
Leonardo da Vinci’nin not defterinden kendi cümleleriyle şunlar
aktarılmaktadır: “Bu canlının kanatları çok ince ve esnektir. Kanat
zarında bulunan özel kas lifleri var, sertliği kontrol ediyor. Kanadın
büyük kısmı kontrol sağlıyor. Zar hava geçirmiyor. Eklemlerde
manevra sağlayıcılar var. Kanat kemikleri çok ince. Şu anda bu
canlıyı aynı oranda taklit edemiyorum. Ancak gelecekte uçuş
makinesi yapmak isteyen sanatçıların bu canlıyı dikkate almaları
gerekmektedir.
Yarasa ve L.da Vinci’nin yarasa kanadı üzerine çalışması
Biyonik;
• Doğada bulunan yöntem ve sistemleri inceleyip
modern
mühendislik
sistemlerinde
ve
teknolojilerinde kullanılır.
• Biyonik kelimesi, Yunancada bion: yaşam ünitesi, eki
olan –ic: benzer, birlikte anıldığında ‘’yaşam benzeri’’
anlamına gelmektedir.
• biyoloji ve elektronik kelimelerinin birleşimi
1980 doğumlu Claudia Mitchell, 2003 yılında bir motor kazası
sonucunda sol kolunu omzundan itibaren kaybetmiştir. Dördüncü
biyonik insan olarak tarihe geçmiş ve ilk biyonik kolun sahibi
olmuştur. Kazadan sonra, düşünerek kontrol ettiği yeni biyonik
kolu
ile
günlük
işini
görebilir
hale
gelmiştir.
Mitchell’in kaybettiği organındaki sinir uçlarına tekrar
bağlanmıştır ve göğüs kasındaki hareketleri algılamaktadır. Sol
göğsünün üzerindeki sinir uçlarına bağlanan ünite, beyinden
gelen sinyalleri yapay organa aktarabilmiştir.
Biyomimetik
Biyomimikri
ve
Biyomekanik
Tasarım Örnekleri
Yumuşakça Kabukları ve Biyomimetik
Uygulamaları
Laminat (tabakalı) kompozit
malzemelerin ilham kaynağını
yumuşakçaların
“Abalone”
olarak
bilinen
türü
oluşturuyor.
Yumuşakça kabukları, bugün
üretebildiğimiz ileri teknoloji
seramikler ile kıyaslandığında
çok daha dayanıklı ve yük
altında kararlı bir yapı
sergilemektedirler. Bunda en
büyük etken laminat kompozit
yapısına sahip olmaları.
Örneğin, salyangoz ve midye gibi yumuşakça
kabukları kalsiyum karbonat ve polymorfu olan
aragonite tabakalarından ve bunları besleyen
ve çeşitli proteinleri içeren canlı dokudan
meydana
gelmektedir.
Burada,
aragonit
tabakası yük için gereken mukavemeti
sağlarken, canlı doku da amortisör gibi
davranıyor ve yapıya tokluk sağlıyor.
Abalone kabuklarının tabakalı yapısıyla birlikte
mukavemet kazandırıcı en önemli yanlarından
birisi de “geometri etkisi”dir.
Midye kabuğu (SEM)
tuğladan bir duvar görünümü ortaya çıkar. Bu duvar, harç
niteliğindeki bir proteinden ve kalsiyum karbonattan
yapılmış tuğlalardan oluşur. Kalsiyum karbonat kırılgan bir
niteliğe sahip olmasına karşın, kabuk katmanlı yapısından
dolayı olağanüstü sağlam ve insan yapımı seramikten
daha az kırılgandır
Çelik Gibi Tok Malzeme? Abalone
Kenneth Vecchio 1970’lerde henüz bir çocuk olduğu
zamanlarda, Long Island’da Atlantik Plajında yarışırken, deniz
kabuklarını kırmanın zor olduğunu görüyor ve “onlar
gevrek/kırılabilir görünüyorlar, fakat onlardan bir parça koparmak
için bir çekiçle vurmam gerekiyor” diye düşünüyordu.
K. Vecchio San Diego’da University of California’da bir makine
ve uzay/havacılık/uçak mühendisi ve halen deniz kabuklarıyla
uğraşıyor, fakat şimdilerde pratik uygulamalar için ilham almak
üzere onları kullanıyor.
Dr. Vecchio’nun yapmayı amaçladığı sentetik malzeme doğada
uzun zamandır sayısız miktarda bulunuyor, sert kabuklulara ait
deniz hayatı 600 milyon yıldır var.
• Dr. Vecchio’nun çalışma grubu onun hazırladığı
rapordan etkilenen uzay ve havacılık şirketlerinden ve
diğer iş alanlarından çağrılar alıyorlar, bu rapor
başlangıç ham bileşenleri aluminyum ve titanyum olan
olağanüstü olarak sert, mukavemetli ve tok bir
malzemeyi anlatıyor.
• Onun çalışma ekibi bu malzemeyi yapmayı başardığı
zaman, bu madde, yarısı kadar bir ağırlığa fakat çelik
kadar bir katılığa sahipti. Tuğladan daha sertti, fakat
tuğladan zor kırılıyordu. Eğer çatlarsa, çatlaklar daha
küçük çatlaklara ayrılmıyordu, parçalanma olmadan
yolunu değiştiriyordu ve sıklıkla kaybolup gidiyordu.
• Dr. Vecchio şu sıralar Journal of the Minerals, Metals and
Materials Society’de bir makale yayınlıyor; bu rapor onun
sadece iyi bir düşük ağırlıklı yapı malzemesi yağmadığını
gösteriyor, yapılan malzeme penetrasyon deneylerinde
mükemmel bir performans gösteriyor, yani malzeme mermiyi
durduruyor. (laboratuarda, saatte 2000 mil hızla ateşlenen bir
tungsten çubuk Dr. Vecchio’nun üç çeyrek inch kalınlığındaki
malzemesinin sadece yarısına kadar penetre oldu).
Abolone adlı deniz canlısından esinlenilerek elde
edilen malzeme, ABD'de ordunun çeşitli
laboratuvarlarında denendikten sonra tanklarda
zırh olarak kullanılmıştır
Sarısu-Kandıra
Metalik-intermetalik Laminat (MIL)
kompozit
Toklaştırma Mekanizması
• Çatlak dallanması
• Çatlak körelmesi
• Enerji absorpsiyon mekanizması
Velcro
• Yaklaşık 30 yıldır kullanılan bağlama elemanı
• Bir yanı kancalardan, diğer yanı halkalardan
(liflerden) oluşan bir yapı
• Günlük hayatımızın bir parçası
• Bitkiden kopyalanmış
Halka ve kanca
bağlayıcılar
1948’de İsviçreli
mühendis, Georges de
Mestral tarafından
bulundu.
Köpek Balığı Derisi
• Köpek balıkları üzerinde taramalı elektron
mikroskobuyla
yapılan
incelemelerde,
balığın
derisinin
şeritler
içerdiği
görülmüştür. Şeritler, dikey su girdapları
veya su spiralleri oluşturarak suyu balığın
vücuduna daha çok yapıştırır ve suyun
yüzmeye karşı direncini azaltır. Şeritlerin bu
etkisi "Ribblet etkisi" olarak bilinir ve bu
konu ile ilgili NASA'nın Langley Araştırma
Merkezi'nde
Ribblet
deri
araştırmaları
yapılmaktadır. Son on yıldır da bu etki
mayolar üzerinde uygulanmaktadır
Yeni lifler ve yeni
dokuma teknikleri ile
yapılan
mayolar,
yüzücünün vücudunu
sararak suya en az
direnç
gösterecek
şekilde üretilmektedir.
Nitekim
yapılan
araştırmalar
bu
mayoların diğer mayo
tiplerine
oranla
sürtünme
direncini
%8
azalttığını
göstermişti
Termit binaları
•
•
•
•
Termitlerin bilinen en önemli özelliklerinden
biri, insanların bile kolaylıkla
yıkamayacakları sağlamlıkta yuvalar
yapmalarıdır. Bu yuvalar ağaç içlerinde
bulundukları gibi çoğunlukla da toprağın
üstünde ve altında da yer alırlar.
Bir termit yuvası açıldığında süngerimsi bir
görüntüyle karşılaşılır. Yuva yaklaşık 2,5
cm. genişliğinde ya da daha dar sayısız
hücrelerden oluşur. Bu hücreleri birbirlerine
ancak termitlerin geçebileceği büyüklükte
dar delikler bağlar.
Termitlerin bu harika binaları yaparken
kullandıkları hammaddeyse sadece toprak,
kendi salgıları ve atıklarından ibarettir.
Amerika'da bulunan Empire State binası iyi
bir kıyas imkanı oluşturmaktadır. Bu binanın
uzunluğu 443 metredir. Termitlerse 1–2 cm
ebatlarında olan böceklerdir. Bu küçük
cüsselerine rağmen 7 metre yüksekliğinde
devasa yuvalar yaparlar. Eğer termitler
insanlarla aynı boyda olsalardı, yaptıkları
yuvalar da Empire State binasının şu anki
uzunluğundan 4 kat daha yüksek olurdu.
• Termitler bakteri kullanarak mantar
yetiştirirler. Bu üretim sonucunda
ortaya yan ürün olarak karbondioksit
gazı çıkar. Bu zehirli gaz yuvadan
atılmazsa termitler boğularak ölebilir.
Fakat termit yuvalarındaki özel bir
sistemle
birkaç
dakika
içinde
havalandırma kapakları açılır ve zehirli
gaz dışarı atılır.
• Günümüzde termit yuvalarının özel
havalandırma bacaları ve tünelleri
örnek alınarak inşa edilen binalardaki
ısıtma ve soğutma sistemleriyle, diğer
binalara oranla enerjiyi %90 daha
verimli kullanabiliyor. Ayrıca elektrik
kullanmaksızın klima yapmayı da
termitlerden öğreniyoruz. Zimbabede
yeni yapılan binalarda termit bacaları
taklit edildiğinde
%35-40 enerji
tasarrufu sağlanıyor.
İSKELET VE KAS YAPISI
İskeletin üç fonksiyonu vardır:
• Biri mekanik olup, vücut ağırlığını desteklemek (taşıma görevi),
• İkincisi ana vücut organlarını korumak (koruma görevi),
• Ve üçüncüsü, kalsiyum ve fosfat gibi mineral iyonlar için bir depo
görevi yapmak (metabolik görev).
Doğal kompozitlere başka bir örnek olarak kasları kemiklere bağlayan dokuları
yani "tendon"ları verebiliriz.
Tendonlar, kendilerini oluşturan kolajen bazlı lifler sayesinde son derece sert
bir yapı kazanırlar.
Bu liflerin bir başka özelliği ise birbirlerine örülme şekilleridir.
Demet, fasikül
Demet – çelik halat
Asma köprülerinde kullanılan çelik halat
teknolojisi
1. Kablo demeti
2. Kablo teli
3. Taşıyıcı halat
4. Kas
5. Kas lifi
Nilüfer çiçeği
Lotus Bitkisi
• Lotus bitkisinin yaprağına düşen yağmur
damlaları, yaprağın üzerinden kayarak
yere damlarlar. Niçin?
• Su damlası yaprak yüzeyi ile bir bağlantı
oluşturamaz. Bunun etkisiyle su esaslı
olan yapışkan maddeler, bal, yağ ve diğer
akışkansı sıvılar bu tip yüzeylerde
tutunamazlar.
• Bu olay bilim adamları tarafından ele alınmakta ve
bundan
Nano
kaplamaları
vasıtasıyla
faydalanılmaya çalışılmaktadır.
• Bu durum hijyenik açıdan temizliğe önem
vermeleri gerekenler için (Gıda maddesi satıcıları,
Lokaller, Kahvehaneler, Kasaplar ve Mezbahalar
gibi) tatbik edilmesi arzu edilir bir konu haline
gelmiştir. Bu husus ayrıca temizlik işlerini
kolaylaştırmak ve değerli mallarını uzun süreli
olarak, kir ve çevre şartlarından korumak
isteyenler için de önemli olmuştur.
LOTUS EFEKTİ
• Lotus efektli yüzeyler, suyun hareketiyle
temizlenebilen, hidrofob ve nanoyapıya sahip
yüzeylerdir. Bu tip yüzeyler genellikle
“temizlenmesi kolay”, “kir itici”, “kire
dayanıklı”, kendi kendini temizleyen” veya
“lotus
efekti”
gibi
sözcüklerle
ifade
edilmektedir. Bu açıklamalardan her biri
diğerine benzemekle birlikte aslında farklıdır
ve bir yüzeyin davranışını anlatmak için
kullanılmaktadır
Hidrofilik- Hidrofobik- Süper Hidrofobik
Lotus efektli yüzeyler, suyun
hareketiyle
temizlenebilen,
hidrofob ve nano yapıya sahip
yüzeylerdir. Bu yüzeyler üzerinde
biriken her yabancı partikül
adeta
bilardo
topları
gibi
çarpışarak yaprak üzerinden
kayar. Bitkinin bu özelliği yeni
geliştirilen
teknolojide
kullanılmaktadır.
Self Cleaning
Video