Bilim Adamları Hem Esnek Hem Sert Olabilen Metal Örgü Kumaş Geliştirdi

Singapur’daki Nanyang Technological University ve California Institute of Technology’de (Caltech) araştırmalarına devam eden bilim adamları tarafından kumaş gibi esnek olan ancak istenildiği zaman sertleşebilen yeni bir metal örgü kumaş türü geliştirildi.

Geliştirilen hafif kumaş, naylon plastik polimerlerden 3D olarak basılmış ve birbiriyle kenetlenen sekiz eşit üçgen yüze sahip içi boş oktahedronlardan oluşuyor.

Normalinde yumuşak olan kumaş esnek plastik bir kılıfla sarılıp içindeki hava boşaltılarak vakumlandığında, gevşek halinden 25 kat daha sert veya bükülmesi daha zor olan çok sert bir yapıya dönüşüyor. Bu işlemin arkasındaki fiziksel ilkeye ‘‘sertleşme geçişi’’ adı veriliyor.

Yeni geliştirilen metal örgü kumaş sertleştirildiğinde,  kendi ağırlığının 50 katına ulaşıyor


Bu tür yeni ‘giyilebilir biçimlendirilmiş kumaşların’, kullanıcıyı bir darbeye karşı korumak için veya ek yük taşıma kapasitesine ihtiyaç duyulduğunda sertleşebilen akıllı kumaşların önünü açabileceğine inanılıyor. Potansiyel uygulamalar arasında kurşun geçirmez veya delinmez yelekler, yaşlılar için biçimlendirilebilir tıbbi destek ve yüksek efor gerektiren sporlar veya şantiyeler gibi iş yerleri için koruyucu dış iskeletler bulunuyor.

Araştırmada Caltech’te doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapmakta olan Nanyang Üniversitesi’nden yardımcı doçent Wang Yifan geliştirilen yeni ürün ile ilgili şunları söylüyor:  ‘‘Hastaların ve yaşlanan nüfusun ihtiyaçlarını karşılamak, ayakta durmalarında, yük taşımalarında, günlük işlerinde ve hareketlerinde onlara yardımcı olabilecek dış iskeletler oluşturmak için hafif ve biçimlendirilebilen (yumuşak bir dokudan sert bir yapıya kolayca değiştirilebilen) tasarlanmış bir kumaş kullanılabilir. Eski metal örgü zırhlardan esinlenerek, biçimlendirilebilir kumaşlarımızın sertliğini artırmak için birbirine kenetlenmiş plastik içi boş parçacıklar kullandık. Malzemenin sertliğini ve dayanıklılığını daha da artırmak için, köprüler veya binalar gibi daha yüksek yük kapasitesi gerektiren büyük ölçekli endüstriyel uygulamalarda kullanılabilecek, alüminyum da dâhil olmak üzere çeşitli metallerden yapılmış kumaşlar üzerinde çalışıyoruz.’’

Sertleşme Geçişi

Sertleşme geçişinde, katı parçacık kümeleri, bir arada bulunma yoğunluklarında hafif bir artışla, sıvı benzeri yumuşak bir durumdan katı benzeri bir duruma geçiyor. Bununla birlikte, tipik katı parçacıklar genellikle çok ağırdır ve giyilebilir uygulamalar için yeterli gerilme direnci sağlamazlar.

Araştırmacılar biçimlendirilebilmiş parçacıklar tasarladılar. Her bir parçacık, daha sonra birbirine kenetlenecek olan halkalar, ovaller, kareler, küpler, piramitler ve farklı şekillerdeki oktahedronlar şeklindeki içi boş çerçevelerden yapıldı. ‘Topolojik olarak birbirine kenetlenmiş yapılar’ olarak bilinen bu yapılar, daha sonra tek parça olarak basılabilmesi için 3D baskı teknolojisi kullanılarak düşük yoğunluklu ve yüksek gerilme direncine sahip metal örgü kumaşa dönüştürülebiliyor.

Araştırmacılar daha sonra parçacık başına ortalama temas noktası sayısını ve uygulanan gerilim miktarına yanıt olarak her bileşenin ne kadar büküleceğini modellediler. Ekip, parçacık şeklini kendi amaçları doğrultusunda değiştirerek, parçacıkların ne kadar ağırlığa sahip olacağı ile kumaşın ne kadar bükülebileceği ve iki faktörün nasıl dengeleneceği arasında bir ilişki olduğunu keşfetti.

Araştırmacılar, kumaşın sertliğini kontrol etmenin bir yolunu ilave edebilmek için metal örgü kumaşı esnek bir plastik kılıf içine yerleştirdi ve kumaşları dışarıdan basınç uygulayan bir vakum kullanarak sıkıştırdı. Vakum basıncı, kumaşın paketleme yoğunluğunu artırarak, her bir parçacığın komşularıyla daha fazla temas etmesine neden oldu ve oktahedron bazlı kumaş için 25 kat daha sert bir yapı oluşmasını sağladı. Düz, masa şeklinde bir yapıya dönüştürüldüğünde ve vakumla sertleşmesi sağlandığında, kumaş, kendi ağırlığının 50 katından fazla olan 1,5 kg’lık bir yükü taşımayı başardı.

Başka bir deneyde araştırmacılar, saniyede üç metre hızla metal örgü kumaşın üzerine küçük bir çelik bilye (30 gram, 1.27 cm çapında) attı. Darbe, vakumla sertleştirilmemiş kumaşta 26 mm’ye kadar, ancak vakumla sertleştirilmiş kumaşta yalnızca 3 mm’ye kadar deforme etkisi gösterdi. Bu da nüfuz derinliğinde altı kat azalma sağlandığını ortaya koydu.

Araştırma ekibi, farklı malzemeler kullanarak kumaş konseptlerinin olanaklarını göstermek için alüminyum kullanarak örgü kumaşı 3D olarak yazdırdı ve alüminyum kullanılarak elde edilen örgü kumaşın vakum ile sertleştirilmeden önce naylon ile aynı esnekliğe ve “yumuşak” dokuya sahip olduğunu ve daha sonra vakum ile “sıkışabileceğini” gösterdi. Alüminyum kullanılarak elde edilen örgü kumaş sıkıştırıldığında ise naylona göre daha sert ve mukavemetli olması nedeniyle çok daha sert yapılar elde edilebiliyor.