Doğadan İlham Alan Ağlar: Mühendisler Daha Güçlü ve Dayanıklı “Metamateriyaller” Tasarladı

Yapay “metamateryaller”in tasarımında uzun süredir düzen, bu malzemelerin doğada bulunmayan olağanüstü özellikler veren iç yapılar sahip olmasıyla ilişkilendirilmiştir.

Bilim insanları bir metamateriel mühendislik ettiğinde, tek bir yapı taşı ya da “birim hücre”den tasarlama yaparlar ve bunu çok kez kopyalayıp yapıştırırlar. Elde edilen sonuç, gelişmiş malzeme performansı sağlayan kesin ve periyodik bir mikroyapıdır.

Şimdi, MIT ve Northeastern Üniversitesi’nden bir ekip, bir malzemeye biraz düzensizlik mühendislik etmenin bu malzemenin “meta” özelliklerini daha da artırabileceğini buldu.

Bugün Nature dergisinde açık erişimle yayımlanan çalışmada araştırmacılar, yaprakların damarlanmasında, bir haç sineğinin kanatlarındaki damarlarda ve bir sosyal ağdaki sanal bağlantılarda görülen ağ tiplerinden ilham alan metamateri tasarımına yeni bir yöntem sunuyor. “Zengin ölçekli metamateri” olarak adlandırılan bu yeni metamateriler, çeşitli boyutlarda yapılar sergiler ve fiziksel bir ağ oluşturmak için yayılıp birbirine bağlanırlar.

Onlarca yıldır ağlar, şehirlerden internete, nöronlar arasındaki bağlantıdan her şeye açıklama yapmak için kuramsal yapılar olarak kullanılmıştır. Ekip, artık böyle ağ tasarımlarını fiziksel malzemelere uygulamıştır. Birim hücrelerin tekrarından değil, bir ağın yoğun, örümcek ağına benzer desenlerine benzer boyutları değişken tiny destek kirişlerinden oluşan metamateriler tasarlamıştır.

Fiziksel testlere tabi tutulan yeni malzemeler, geniş ölçüde kontrol edilebilir bir sertlik aralığına ulaştı ve ani darbelere, sıradan ve düzenli metamaterilerden daha iyi dayandı. Ayrıca malzemelerin içine gömülü kırılgan nesneleri sönümlendirebilir ve koruyabilir.

Ekip, malzemelerini istenen bir malzeme özelliği için mikroyapıların optimize edilmiş bir ağını üreten bir algoritma kullanarak tasarladı. Bu yöntem, kask ve zırh gibi dayanıklı, darbemiş emen malzemelerin yanı sıra ses ya da titreşimleri verimli bir şekilde odaklayan mikroyapıya sahip malzemeler olan akustik merceklerin tasarımında kullanılabilir.

“Bu, metamaterialler için tamamen yeni bir düşünce biçimi,” diyor çalışmanın yazarlarından MIT makine mühendisliği doçenti Carlos Portela. “Bu ağ tasarımını malzemeler için açığa çıkarmak, bizleri daha önce mümkün olmayan yeni mikroyapılar ve mekanik avantajlar hakkında düşünmeyi gerçekten serbest bırakıyor.”

Çalışmanın MIT’deki ortak yazarları arasında Andrew Yen-Jong Chen, Mohammad Charara ve Jayna Wadhwa; ayrıca Northeastern Üniversitesi’nden Csaba Both, Ting-Ting Gao ve Albert-László Barabási; Hollanda’daki Utrecht Üniversitesi’nden Niek Mooij yer alıyor.

Sıralamanın ötesine bakmak

Ağ bilimi, karmaşık ağları; bir ağdaki düğümler ve bağlantılar ve bu öğelerin birbirleriyle ve ağın tamamıyla nasıl ilişkili olduğunu inceleyen bir araştırma alanıdır. Ağ bilimi, doğadaki ağlar (besin ağları, evrim ağaçları ve sinir bağlantıları gibi) ile finansal piyasalar, hücresel ve sosyal ağlar ve internet dahil olmak üzere geniş bir sistem yelpazesini haritalandırmak ve karakterize etmek için kullanılmıştır.

Yeni çalışmanın ortak yazarlarından Albert-László Barabási, ağ biliminin en ön saflarındadır. Northeastern Üniversitesi fizik profesörü olan Barabási, birçok disiplinde karmaşık ağların yapısını inceler; bir ağın nerede kırılganlıklar sergileyebileceğini ve nasıl daha dayanıklı hale getirilebileceğini araştırır.

Barabási’nin çalışmalarının çoğu, kavramsal ağlarla ya da mevcut sistemlere oturtulan ağlarla ilgilidir. Son zamanlar ise şunu merak etti: Ağ bilimi, doğada mümkün olmayan belirli istenilen özelliklere sahip fiziksel bir malzeme inşa etmek için kullanılabilir miydi?

Bunun için Barabási, MIT’deki grubunun metamateriallerde uzmanlaşmış olduğu Portela ile işbirliğine gitti. Araştırmacılar, malzemenin genel performansını artıran, kesin biçimli mikroyapılarla malzemeleri temelden inşa ederler. Alanındaki diğerleri gibi Portela da metamaterialleri tek bir hücre biriminden kurar; bu yapı birimini kare kafes yapıları ve petek yapısı mimarileri gibi desenlerde tekrarlar.

Portela’nın birçok durumda böyle düzenli desenlerin malzemenin mukavemetini ve dayanıklılığını gerçekten artırdığını gözlemlediğini belirtiyor. Ancak bu malzemeler delindiğinde veya çatladığında, geri kalan kısım hızla buruşup çöküyor. Bunun sebebi, iç yapının tamamen aynı olması: Malzemenin bir bölgesi şekil değiştirirse, etrafındaki benzer hücreler de aynı şekilde tepki verip şekil değiştiriyor.

“Yıllardır periyodik ve düzenli mikro yapıları inceliyoruz ve bu lokalizasyon etkisi gibi birçok sınırlama ve ideal olmayan tepkiyle karşılaştığımızı öğrendik,” diyor Portela. “Bu düşünceden kurtulup ağ bilimini kullanarak bu malzemeleri tasarlamak istedik.”

Satır satır

Ekip, fiziksel bir malzemenin kısıtlamalarıyla sanal olarak bir kiriş ağı üreten bir algoritma geliştirdi. Ağ bilimini internet gibi bir şeye uygularken araştırmacıların, bağlantı sayısı, yoğunluğu veya kesişimi gibi fiziksel kısıtlamaları göz önünde bulundurmasına gerek kalmıyor. Fiziksel bir malzemede ise kirişlerin sayısı ve kalınlığı ile aralarındaki mesafe önem kazanıyor.

Fiziksel bir ağ tasarlamak için ekibin algoritması, önce son malzemenin boyutunu temsil eden bir alanda rastgele bir koordinatta bir nokta çizerek başlıyor. Program, rastgele bir açıda, noktadan geçen ve tüm alanı kesen bir çizgi çiziyor. Ardından program, ikinci bir rastgele koordinatta ikinci bir nokta ve farklı bir açıda çizilen bir çizgiyle bu işlemi tekrarlıyor; bu ikinci çizgi ya tüm alanın ya da çizilen ilk çizginin sınırına ulaşana kadar. İşlem böylece defalarca, giderek daha kısa ve inçe çizgiler çizerek tekrarlanıyor. Ortaya çıkan malzeme, birbiriyle kleşen, çeşitli boyutlarda çok sayıda kirişten oluşan yoğun bir ağı temsil ediyor.

Bilim insanları, programın ürettiği ağın türünü, başlangıç çizgisinin kalınlığını ve bu kalınlığın ardışık her çizgi çizildikçe ne kadar hızla azaldığını değiştirerek ayarlayabilir. Bu iki parametreyi basitçe ayarlayarak ekip, geniş bir ağ yelpazesini üretebildiklerini buldu. Ardından, birini ya da ikisini birden farklı derecelerde ayarlamanın bir malzemenin sertliğini ve diğer fiziksel özelliklerini nasıl değiştireceğini öngören simülasyonlar yürüttüler.

“Bu iki parametrenin, bu ağ desenlerinin nasıl üretildiğini belirlediğini görerek malzemenin sertliğini gerçekten ayarlayabildiğimiz ortaya çıktı,” diyor Portela.

Ekip, ardından sanal olarak ürettikleri ağlardan esinlenen mikroyapısal fiziksel malzemeler üretti. Polimeri, birbirine bağlanan küçük ışınların oluşturduğu desenlere yerleştirmek için 3D yazdırma yöntemleri kullandılar. Her bir örnek, iç ışınları mikrondan santimetreye kadar değişen ölçeklere sahip, kredi kartı boyutunda büyük bir kare şeklindeydi.

Örnekleri, üzerine büyük bir ağırlık düşürmek ve artan bir kuvvetle sıkmak gibi çeşitli fiziksel testlerden geçirdiler. Malzemenin tepkisini, ayrıca geleneksel kafes ve petek yapılı metamateriallerin örnekleriyle birlikte kaydettiler. Ağdan esinlenen örneklerin, sıkışmaya ve darbelere karşı daha dirençli olduklarını buldular.

“Bu ağsı malzemelerde böyle uzunluk ölçekleri zenginliği olduğu için, bir parça başarısız olsa bile, malzemenin felaket biçiminde çökmesini engelleyen onu çevreleyen sağlam bir yapı ağı vardır,” diyor Portela. “Hasarı dağıtmada ve enerji emmede daha verimlidir.”

Yen bir gösterim olarak araştırmacılar, bir greyfurtun kalın kabuğunun yoğunluk dereceli mikroyapısından esinlenen bir malzeme tasarladı. Malzemenin kenarlarını daha yoğun bir ışın ağından oluşturdu ve ağın merkezine yerleştirilmiş kırılgan bir nesneyi yumuşatabilecek ve koruyabileceğini gösterdi.

“Bu çalışma, özellikleri çok geniş bir aralıkta değişen malzemeler için bir tasarım çerçevesi sunuyor,” diyen materials uzmanı Tian “Tim” Chen, çalışmaya dahil olmayan Imperial College London Uçak Mühendisliği Bölümü’nden doçent. “Bu, yük taşıması, enerji emmesi veya titreşimi kontrol etmesi gereken her türlü yapı için, benzeri görülmemiş fiziksel davranışa sahip malzemelerin bir sonraki neslinin önünü açabilir.”

Bu çalışma, kısmen ABD Ulusal Bilim Vakfı’nın Malzemeleri Tasarlayarak Geleceğimizi Devrimleştirme ve Mühendisliğini (DMREF) programının desteğiyle gerçekleştirildi.