Katalog

Doğadan Esinlenen Akıllı Biyomimetrik Tekstiller Kimya ve malzeme araştırmalarında doğadan esinlenme ve doğayı taklit etme yöntemleri doğadaki canlı sistemlerin çeşitli özelliklerini inceleyerek, bu özellikleri taşıyan yeni malzemelerin üretilmesidir. Doç.Dr. Nihal Sarıer (İstanbul Kültür Üni.) Prof.Dr. Emel Önder (İstanbul Teknik Üni.) B iyomimetik malzeme kimyası biyoseramikler, biyoalgılayıcılar, biyomedikal mühendislik ve biyonanoteknoloji gibi üstün özellikli malzeme geliştirme alanlarında büyük önem taşır. Mühendislerin, mimarların ve bilim insanlarının doğadan esinlenen veya doğayı taklit eden büyüleyici, unutulmaz yapıtları medeniyet tarihinde çok önceleri ortaya çıkmıştır. Biyomimetik uygulamalardan biri, ünlü Eiffel Kulesi’dir. Anatomist Herman Meyer kalça kemiği dokusunun enine kesitini ayrıntılı olarak çizdi (1832); bu çizimi inceleyen Zü CBT 1341/13 30 Kasım 2012 rihli mühendis Karl Cullman, insan iskeletini oluşturan ince kemiklerin devasa vücut yükünü taşıyıp, kararlı bir denge sağlayabildiğini, gözenekli kemik dokunun çekme ve sıkıştırma kuvvetlerini mükemmel bir şekilde dengelediğini gözlemleyerek, kemik dokunun mekanik özellikleri ile ilgili matematiksel bir model geliştirdi (1862). Yaklaşık 25 yıl sonra, Gustavo Eiffel, Cullman’ın çalışmalarını inceleyerek kemik doku ile ilgili biyomekanik modellemeye dayanarak Paris’te 324 metre yüksekliğe sahip 82 katlı Eiffel Kulesi’ni tasarlayarak inşa etti (1889). Biyomimetik malzemelerle ilgili çalışmalar 2001’den itibaren büyük bir ivme kazandı. Biyomimetik özellik kazandırılmak üzere en fazla ARGE çalışması yapılan alanlardan biri akıllı tekstillerdir. Akıllı tekstiller, çevre koşullarını ve mekanik, ısıl, kimyasal, elektriksel, manyetik veya diğer kaynaklardan gelen uyarıcıları algılayan ve yanıtlayan malzeme ve yapılar olarak tarif edilir. Çevre ile ilişkileri bakımından akıllı tekstiller üç gruba ayrılır. Bunlar: i) çevresel değişiklikleri algılayan pasif akıllı tekstiller, ii) çevresel değişiklikleri algılayan ve yanıtlayan aktif akıllı tekstiller, iii) çevresel değişiklikleri algılayan, yanıtlayan ve kendilerini bu değişikliklere uyarlayabilen çok akıllı tekstiller. Akıllı tekstiller, kullanıcılarına sağladığı kolaylıklar ile endüstriyel uygulanabilirlikleri bakımından büyük önem taşır. Aşağıda sözü edilen biyomimetik özellik kazandırılmış akıllı tekstiller ile ilgili araştırma çalışmaları büyük bir hızla gelişiyor, bazı ürünlerin endüstriyel uygulaması başlatılmıştır. Toz tutmayan, su itici kumaş tasarımı (Lotus etkisi): Nilüfer çiçeği (Lotus) yapraklarının kendini temizleme mekanizmasından esinlenerek geliştiriliyor. Bu kumaşlara kendini temizleyebilen tekstiller adı da verilir. Deterjan gereksinimi olmadan sadece su ile yüzeydeki kir ve tozun temizlenmesi mümkün oluyor. Bu tür tekstillerin kullanım alanları çadır ve şemsiye imalatından, askeri, sportif ve tıbbi giysilik üretimine kadar uzanır. Işığa duyarlı kumaş tasarımı: Basit bir tek hücreli olan Chlamydomonas’ın (terliksi) zararlı morötesi (UV) ışınları algılayarak kamçısı vasıtası ile bu ışınlardan uzaklaşması fotoduyarlı tekstillerin geliştirilmesi için ilham kaynağı oldu. Bilindiği gibi, ışığa duyarlı hareketler bitkilerde de sıkça gözlenmektedir. Doğada var olan ışığa duyarlı davranışlardan esinlenerek polimetilmetakrilat (PMMA) ve metilmetakrilat (MMA) gibi organik maddeler yardımı ile optik özelliklere sahip polimer lifler üretildi, bu lifler tekstil yapılara başarı ile katıldı. Bu tür tekstiller güneş ışınlarına karşı hassas olan ciltleri korumak için kullanılabilir. Dokunmaya duyarlı kumaş tasarımı (Mimoza etkisi): Dokunmaya duyarlı Mimoza çiçeklerinin alt yüzeyinde kaslarımızda bulunan ve harekete duyarlı miyosin benzeri bir kimyasal salgılanmaktadır. Dokunma ve benzeri dış etkilerde çiçek hızla kapanır, daha sonra tekrar açılır. Mimoza etkisi dokunma, ses, ışık gibi dış uyarıcılara duyarlı kumaşların geliştirilmesi için önemli bir esin kaynağı oldu. Örneğin, moda sektöründe dokunmaya duyarlı olarak katlanan açılan ya da renk değiştiren giysilerin tasarımı ile ilgili yeni çalışmalar yapılmakta. Araştırmacılar, mimoza etkisi kazandırılmış liflerle dokunmuş kumaşların yapay masaj, böcek ya da sinek uzaklaştırıcı koku yayma gibi amaçlarla kullanımı için deneme ürünler hazırlamaktadır. 4) Nefes alabilir kumaş tasarımı (Kozalak etkisi): Çam kozalağının yapısından esinlenerek ter, nem ve su gibi higroskopik hareketliliğin sağlandığı nefes alabilir kumaşlar tasarlanmaktadır. Çam tohumlarının (çam fıstığı) yer aldığı kozalağın pul şeklindeki kabukları dış ortamın nem oranına duyarlıdır. Ortam kuru iken, kabuklar hızla açılır, tohumlar ortaya çıkarak kolayca toprağa düşer. Ortam nemli iken, kozalak kabukları sıkıca kapanarak, tohumların korunmasını sağlar. Çam kozalağının bu üstün özelliği, araştırmacılara ortamdaki neme duyarlı ve uyum sağlayabilen kumaş hazırlanması için ilham kaynağı olmuştur. Bu sayede nemli ortamlarda duyulan rahatsızlık ortadan kaldırılabilecektir. Örneğin, bir çalışmada yüksek su sever özelliğe sahip olan yün liflerden ince bir tabaka hazırlanmış, bu tabakanın üstüne kozalak benzeri pullu özel bir dokuya sahip, kuru ortamda boyutları küçülen ve kozalak gibi açılan bir polimer tabaka ilave edilmiştir. Ortam sıcak ve kuru olduğunda üst tabakadaki pulcuklar açılır, kumaş vücuda hava giriş çıkışına imkân sağlar, yünlü tabaka da terlemeyle oluşan nemi tutar. Soğuk havalarda kozalak yapılı polimer tabaka genleşerek yüzeyi tümüyle örter, yün tabaka da daha önce soğurduğu nemin buharlaşması ile ortamın ısınmasını sağlar. Tek hücrelilerden böceklere, bitkilerden memelilere kadar tüm biyolojik sistemler dört yüz milyon yıldan daha uzun bir evrim sürecinde dış dünya ile temas halindedir. Bu süreçte yüzeyleri ve organları üstün işlevler kazanarak evrilmiş, böylece türlerinin devamlılığını gelişerek sağlamışlardır. Canlıların sahip oldukları ve sürekli geliştirdikleri binlerce fiziksel ve kimyasal işlev araştırmacılar için tükenmez bir esin kaynağı olmaya devam etmektedir. Öte yandan, farklı biyomimetik uygulamaların yapıldığı ve şimdiden pazardaki yerini alan akıllı tekstiller yukarıda belirtilen uygulamalarla sınırlı değildir. Biyomimetik ve doğadan esinlenen akıllı giysi sistemleri ile ilgili tasarım, ARGE ve üretim çalışmaları hızla ilerlemektedir. Kaynaklar: Kerstin Koch, Bharat Bhushan, Wilhelm Barthlott, Multifunctional surface structures of plants: An inspiration for biomimetics, Progress in Materials Science, 54, 2, 2009, 137178. Ajay V. Singh, Anisur Rahman, N.V.G. Sudhir Kumar, A.S. Aditi, M. Galluzzi, S. Bovio, S. Barozzi, E. Montani, D. Parazzoli, Bioinspired approaches to design smart fabrics, Materials and Design, 36, 2012, 829839. Joseph A Miller Jr, Vasantha Nagarajan, The impact of biotechnology on the chemical industry in the 21st century, Trends in Biotechnology, 18, 2000, 190191.