Kategoriler
Bilim & İnsan

Dünyadaki en güçlü ve dayanıklı maddeler

Elmas genellikle dünyanın en sert maddesi olarak bilinse de aslında ondan daha sert 6 madde var. Elmas hala Dünya'da doğal olarak en bol bulunan dayanıklı maddelerden biri ancak elmas kadar sert olmayıp dayanıklılığı ile etkileyen maddeler de var. Tıpkı ağırlık-kuvvet oranında alüminyum ile çeliği geride bırakan örümcek ağı gibi.

Önce diğer maddeler

Bilim adamları, silika nanoküreleri kullanarak karışık maddeleri birbirinden ayırıp filtreleyebiliyor. Ancak bu yalnızca bir türü. Kendi kendine birleşebilen türü, elmasla yakın dayanıklılığa sahip.
Bilim adamları, silika nanoküreleri kullanarak karışık maddeleri birbirinden ayırıp filtreleyebiliyor. Ancak bu yalnızca bir çeşidi. Kendi kendine birleşebilen türü, elmasla yakın dayanıklılığa sahip. (Görsel: Oak Ridge National Laboratories / Flickr)

Örümcek ağlarından Darwin'in Ağaç Kabuğu Örümceği'nin ağı, kevlardan 10 kat daha dayanıklıdır. O kadar ince ve hafif ki 450 gramı Dünya'nın çevresini (40.000 km) sarmaya yeterli.

Silisyum karbür doğal olarak oluşur. Örümcek ağından çok daha dayanıklı ve elmastan sadece biraz dayanıksız. Yüksek basınç, düşük sıcaklık altında son derece dayanıklı seramik yapmayı sağlıyor. Bu madde araba freni, debriyaj, kurşun geçirmez yelek levhası ve hatta tank zırhı gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılıyor. Aynı zamanda elektronikte inanılmaz önemli olan yarı iletken özelliğe sahip.

Silika nanoküreler, silisyum karbürü geride bırakır. İlk kez yaklaşık 20 yıl önce üretildi. Çapı 50 nanometreden 2 nanometreye kadar değişir. Bu nanoküreleri dikkat çekici kılan içi boş olmaları ve kendi kendilerine bir araya gelmeleri. Kendi kendine birleşme doğada inanılmaz derecede güçlü bir araç. Ancak biyolojik maddeler sentetiklerden zayıftır. Kendi kendine birleşen bu nanoparçacıklar daha iyi su arıtıcısı, daha verimli güneş pili, daha hızlı katalizör ve yeni nesil elektronikler gibi özel uygulama alanlarına sahip. Bununla birlikte, nanokürelere dair en büyük rüya kullanıcısına özel olarak yazdırılabilen vücut zırhı olacak.

Elmas

Kimberlite içinde elmas, Güney Afrika.
Kimberlite içinde bir elmas, Güney Afrika. (Mindat.org)

Karbon, kimyasal ve fiziksel özellikleri ile doğadaki en büyüleyici elementlerden biri. Bu hafif element birçok karmaşık bağ oluşturabiliyor. Aynı anda dört atomla bağ kurabilmesi bugün bilinen tüm yaşam formlarının karbon bazlı olmasını sağladı. Bu bağların muhtemel geometrileri karbonun kendi kendine form değiştirmesini sağlıyor. Özellikle yüksek basınçta kristale dönüşür. Doğru koşullarda ise elmas denilen katı ve ultra sert yapı halini alır. Bazı gezegenler elmasla dolu, hatta elmas yağmuruna sahip olanlar bile var. Bazı doğal ve sentetik maddeler bugün dayanıklılıkta elması geçmiş olsa da elmas hala bir rekoru elinde tutuyor, o da çizilmeye en dayanıklı madde olması.

İLGİLİ:  Kıtaların Kayma Teorisi nedir? Pangea ve Alfred Wegener

Wurtzite bor nitrür

Karbonun birçok formda olabilmesi gibi bor nitrürün de formları var ve wurtzite oluşumu elmastan güçlü.
Karbonun birçok formda olabilmesi gibi bor nitrürün de formları var ve wurtzite oluşumu elmastan güçlü. (Görsel: Kinan A.)

Karbon yerine başka atom veya bileşiklerden de kristal yapabilirsiniz ve bunlardan biri periyodik tablodaki 5. ve 7. elementlerin bir araya gelmesiyle oluşan bor nitrürdür (BN). Bor nitrürün formu amorf (kristal olmayan), altıgen (grafite benzer), kübik (elmasa benzer ancak biraz daha zayıf) ve wurtzite olabilir.

Wurtzite en nadiri ve en güçlüsü. Volkanik patlamalar ile oluşuyor ve bugüne kadar çok küçük miktarda keşfedildi. Oluşturduğu kristal kafes, elmastan %18 daha dayanıklıdır. Kafesin biçimi düz merkezli kübik yerine dört yüzlüdür.

Lonsdaleite

Meteor çarpmasıyla oluşmuş Popigai kraterinden iki elmas. Solda saf elmas, sağda elmas ve lonsdaleite karışımı var. Tümüyle saf bir lonsdaleite sağlamlık ve sertlik açısından elmastan üstün olacaktır.
Meteor çarpmasıyla oluşmuş Popigai kraterinden iki elmas. Solda saf elmas, sağda elmas ve lonsdaleite karışımı var. Tümüyle saf bir lonsdaleite sağlamlık ve sertlik açısından elmastan üstün olacaktır. (Görsel: Hiroaki Ohfuji Et Al., Nature (2015))

Elinizde karbonla dolu ve dolayısıyla grafit içeren bir meteor olduğunu ve bu meteorun atmosferden hızla geçip Dünya'ya çarptığını hayal edin. Meteorun düşerken ısınan ve yanan yeri sadece dış katmanıdır. İç kısmı uzaydaki yolculuğu boyunca neredeyse hep serindir.

Ancak Dünya'nın yüzeyine çarpmasıyla içerideki basınç, gezegendeki tüm doğal süreçlerden büyük hale gelir ve grafit, kristal yapı halinde sıkışır. Bununla birlikte bir elmas gibi kübik kafes değil altıgen kafes oluşturur ve bu sayede elmastan %58 yüksek sertlik sunar. Ancak Lonsdaleite o kadar nadir ki gerçek saflıkta bir örneği henüz bulunamadı.

Dyneema

LIROS Dyneema SK78 oyuk örgülü ipin yakından görünümü. Kumaş veya çelik halattan daha güçlüdür. Dyneema, bugün insanlığın bildiği en güçlü elyaf tipi malzemedir.
LIROS Dyneema SK78 oyuk örgülü ipin yakından görünümü. Kumaş veya çelik halattan daha güçlüdür. Dyneema, bugün insanlığın bildiği en güçlü elyaf tipi malzeme (Görsel: Justsail / Wikimedia Commons)

Artık doğal olarak oluşan maddeleri geride bırakıyoruz. Bir termoplastik polietilen polimeri olan Dyneema, olağanüstü yüksek moleküler ağırlığa sahip olması nedeniyle olağandışı. Bildiğimiz çoğu molekül birkaç bin atomik kütle birimine (proton ve/veya nötron) sahip zincirlerden oluşuyor. Ancak UHMWPE (ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen) o kadar uzun bir zincire sahip ki moleküler kütlesi birkaç bin değil birkaç milyon atomik kütleye denktir.

İLGİLİ:  Kuantum bilgisayar: Önemi ve klasik bilgisayardan farkı

Polimerlerin çok uzun zincirli olması moleküller arası etkileşimi güçlendirerek ortaya çok sert bir madde çıkmasını sağlıyor. O kadar sert ki bilinen herhangi bir termoplastik arasında en yüksek darbe dayanımına sahip. Dünyanın en güçlü lifi olarak anılır ve tüm bağlama ve çekme halatlarından daha iyi performans sunar. Sudan daha hafif olmasına rağmen mermileri durdurur ve ağırlık oranında çelikten daha 15 kat daha güçlüdür.

Paladyum mikro alaşımlı cam

Paladyum bazlı metalik camdaki deforme olmuş çentiğin mikrografı, çatlağın yayılımını önlemiş plastik korumayı gösteriyor. Paladyum mikro alaşımı, bilinen herhangi bir malzemenin en yüksek birleşik mukavemetine ve tokluğuna sahip.
Paladyum bazlı metalik camdaki deforme olmuş çentiğin mikrografı, çatlağın yayılımını önlemiş plastik korumayı gösteriyor. Paladyum mikro alaşımı, bilinen herhangi bir malzemenin en yüksek birleşik mukavemetine ve tokluğuna sahip. (Görsel: Robert Ritchie ve Marios Demetriou)

Kuvvet, bir fiziksel maddenin formu bozulmadan ne kadar güce karşı koyabileceğini gösterirken, dayanıklılık maddeyi kırmak veya çatlatmak için ne kadar enerji gerektiğidir. Çoğu seramik kuvvetlidir ancak dayanıklı değildir, az bir yükseklikten düştüğünde paramparça olur. Kauçuk gibi elastik malzemeler ise çok fazla enerjiye karşı koyar ancak kolayca deforme olur yani kuvvetli değildir.

Çoğu camsı madde kırılgandır: Kuvvetli ancak dayanıklı değil. Pyrex veya Gorilla Glass gibi güçlendirilmiş camlar bile dayanıklı değiller. Ancak 2011'de araştırmacılar, beş element (fosfor, silikon, germanyum, gümüş ve paladyum) içeren yeni bir mikro alaşımlı cam geliştirdi. Kesim yollarını paladyum ile oluşturdu ve cam böylece çatlamak yerine plastik gibi deforme oldu. Hem kuvvet hem de dayanıklılık birleşimi nedeniyle her tür çeliğin yanı sıra bu listedeki her şeyi geçer. Karbon içermeyen en sert malzemedir.

Buckypaper

buckypaper
Karbon nanotüplerden oluşur. Katlanabilir, makasla kesilebilir ancak 50 nanometreden büyük cisimleri geçirmez. Yüzde 100 saflıkta aynı hacimdeki çelikten 500 kat kuvvetlidir. (Görsel: Nanolab, Inc.)

20. yüzyılın sonlarından beri elmastan bile sert olan bir karbon formunun olduğu iyi biliniyordu. Adı karbon nanotüptür. Karbonu altıgen bir şekille bağlamak ortaya insanoğlunun bildiği herhangi bir şeyden daha sağlam silindirik bir yapı çıkarır. Bir yığın karbon nanotüpü alıp bunları makroskopik bir katman haline getirirseniz Buckypaper'ı elde edersiniz. Katlanabilir, makasla kesilebilir ancak çelikten 500 kat kuvvetlidir.

İLGİLİ:  Hayvanlardan insanlara bulaşan hastalıklar

Her bir nanotüp yalnızca 2 ila 4 nanometre genişliğinde ancak her biri inanılmaz derecede kuvvetli ve dayanıklı. Çeliğin ağırlığının sadece %10'u kadar ancak yüzlerce kat kuvvete sahip. Ateşe dayanıklı, termal yönden son derece iletken, muazzam elektromanyetik koruma özelliğine sahip ve malzeme bilimi, elektronik, askeri ve hatta biyolojik uygulamalar sunuyor. Ancak buckypaper %100 nanotüpten yapılamıyor ve belki de onu dünyanın en kuvvetli ve dayanıklı maddesi olmaktan alıkoyan bu.

Grafen

Grafen molekülleri mükemmel bir altıgen simetriyle yayılmıştır ve aromatik moleküllere benzer. (Görsel: Alexanderalus/Core-Materials/Flickr)

İşte nihayet sadece tek bir atom kalınlığında olan altıgen bir karbon kafes. Grafen 21. yüzyılda geliştirilmiş ve kullanılacak en devrimci maddedir. Karbon nanotüplerin temel yapısal unsuru ve uygulama alanları sürekli olarak büyüyor. Şu anda milyonlarca dolarlık bir endüstri olan grafenin sadece on yıllar içinde milyarlarca dolarlık bir endüstriye dönüşmesi bekleniyor.

Kalınlığına oranla bilinen en güçlü malzeme, hem ısıyı hem de elektriği olağanüstü şekilde iletiyor ve ışığa neredeyse %100 geçirgen. 2010 Nobel Fizik Ödülü grafen ile çığır açan deneyler yapan Andre Geim ve Konstantin Novoselov'a verildi ve ticari uygulamaları büyüyor. Grafen bugüne kadar bilinen en ince maddedir ve Geim ile Novoselov'un çalışmalarından sadece 6 yıl sonra Nobel ödülü almaları fizik tarihinin en hızlılarından biri.

Malzemeleri daha sert, daha güçlü, çizilmeye karşı daha dayanıklı, daha hafif, daha sağlam vb. yapma arayışı muhtemelen hiç bitmeyecek. Nesiller önce, mikroelektronik, transistör veya atomları manipüle fikri gibi konular kesinlikle bilimkurgu olarak görülüyordu. Bugün o kadar yaygınlar ki artık hafife alıyoruz.

Tüm gücümüzle nanoteknoloji çağına girdikçe burada açıklananlara benzer maddeler yaşam kalitesi için giderek daha önemli ve yaygın hale geliyor. Elmasın artık bilinen en sert malzeme olmadığı bir uygarlıkta yaşamak harika bir şey.


Kaynakça:

Yazar Ayberk Göktürk

Genellikle modern tarih, yakın tarih ve popüler bilim üstüne içerikler üretiyor. Özel ilgi alanları arasında Kuzey Afrika ve Güney Amerika'nın sömürge tarihi ve Avrupa'daki eski monarşiler yer alıyor.