İleri Malzemeler

Yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılan malzemeler, ileri malzemeler olarak adlandırılır. İleri teknoloji kavramı ile nispeten gelişmiş ve karmaşık prensiplere göre fonksiyonunu yerine getiren veya çalışan cihazlar ya da ürünler kastedilmektedir. Bu cihaz ve ürünlere, elektronik aletler (kameralar, CD/DVD oynatıcılar vs.), bilgisayarlar, fiber optik sistemler, uzay araçları, uçaklar ve askeri roketler örnek olarak verilir. İleri malzemeler, tipik olarak özellikleri iyileştirilmiş geleneksel malzemeler veya yeni geliştirilmiş yüksek performanslı malzemeler olabilir. Metal, seramik, plastik gibi bütün malzeme türlerinden olabilen bu malzemelerin genellikle maliyetleri yüksektir. İleri malzemeler; yarı iletkenler, biyo-malzemeler ve “geleceğin malzemeleri” olarak adlandırılan akıllı malzemeler ile nano-mühendislik malzemelerini kapsamaktadır. İleri malzemeler günümüz teknolojisinde lazerlerde , entegre devrelerde, manyetik bilgi depolama cihazlarında, likit kristal ekranlarda (LCD’ler) ve fiber optiklerde kullanılınırlar.

Yarı iletken malzemelerin elektriksel özellikleri, elektriksel açıdan iletken metal ve alaşımları ile yalıtkan seramik ve polimer malzemelerin arasındadır. Ayrıca bu malzemelerin elektriksel özellikleri, yapılarında çok düşük konsantrasyonlarda bulunan empürite atomlarının varlığına oldukça duyarlıdır. Bu empürite atomlarının, yarı iletkenler içinde boyut olarak çok kısıtlı olan bölgelerde, hassas bir biçimde ve çok düşük konsantrasyonlarda bulunmaları sağlanabilir. Yarı iletkenler, yaklaşık son 30 yılda, elektronik ve bilgisayar endüstrisinde entegre devrelerin gelişmesini sağlamıştır.

Biyomalzemeler, vücudun hastalanmış veya hasarlı kısımlarının yerine geçmek üzere insan vücuduna yerleştirilen parçalarda kullanılır. Bu malzemelerin zehirli madde üretmemesi ve vücut dokusu ile uyumlu olması gerekir. Diğer bir ifadeyle sağlığa zararlı biyolojik reaksiyon meydana getirmemeleri gerekir. Metal, seramik, polimer, kompozit ve yarı iletkenler biyomalzemeler olarak kullanılabilir. Bu malzemelere örnek olarak, yapay kalça eklem protezlerinde kullanılan bazı biyomalzemeler de eklenir.

Akıllı malzemeler, birçok teknoloji üzerinde önemli etkileri bulunan en yeni malzeme grubudur. Akıllı nitelemesi bu malzemelerin, yaşayan organizmalarda görüldüğü gibi, bulundukları ortamda meydana gelen değişiklikleri hissedebildiklerine ve önceden belirlenen bir cevap oluşturabildiklerine işaret etmektedir. Ayrıca, sözü edilen “akıllı” kavramı, hem akıllı hem de geleneksel malzemelerden oluşan gelişmiş sistemleri kapsayacak şekilde genişletilmiştir. Bir akıllı malzeme (ya da sistemi), giriş sinyalini algılayan bir çeşit-sensörve bu sinyale bir cevap oluşturan bir aktüatörden (uyarıcıdan) oluşur. Aktüatörlerden sıcaklıkta, elektrikksel ve/veya manyetik alanda meydana gelen bir değişikliğe karşılık olarak şekillerini, konumlarını, doğal frekanslarını ya da mekanik özelliklerini değiştirmeleri beklenir.
Aktüatörlerde (uyarıcılarda), şekil hafızalı alaşımlar. piezoelektrik seramikler, manyetostriktif malzemeler, elektroreolojik/manyetoreolojik akışkanlar olmak üzere dört farklı malzeme türü yaygın olarak kullanılır. Şekil hafızalı alaşımlar şekillendirildikten sonra, sıcaklığın değişmesi halinde ilk şekillerine geri dönen metallerdir. Piezoelektrik seramiklerde uygulanan bir elektrik alanına (ya da gerilime) cevap olarak genişleme veya daralma meydana gelmektedir. Benzer şekilde, bu malzemeler boyutlarında meydana gelen bir değişikliğe cevap olarak da elektrik alanı oluşturur . Manyetostriktif malzemelerin davranışları piezoelektrik malzemelere benzemekle birlikte, bu malzemelerin verdiği cevap (tepki), elektrik alan yerine manyetik alana karşılık oluşur. Elektroreolojik ve manyetoreolojik akışkanların ise sırasıyla uygulanan bir elektrik ve manyetik alana karşılık vizkozitelerinde büyük değişiklikler meydana gelir. Optik fiberler, bazı polimerler de dahil olmak üzere piezoelektrik malzemeler ve mikroelektromekanik sistemler vesensörler de kullanılan malzeme ve cihazlar arasındadır. Örneğin, helikopterlerde dönen rotor kanatlarından kaynaklanan aerodinamik kokpit gürültüsünün azaltılması için bir tür akıllı sistem kullanılır. Kanatlara yerleştirilen piezoelektrik sensörler kanatlardaki gerilmeleri ve şekil değişimlerini izler. Bu sensörlerden gelen geri besleme sinyalleri, gürültüyü yok edici bir karşı gürültü oluşturan bilgisayar kontrollü uyarlanabilir (adaptif) bir cihaza gönderilir.

Nanomalzemeler, teknolojide beklentinin yüksek olduğu bir malzeme sınıfıdır. Nanomalzemeler, dört temel malzeme türünün ( metal, seramik, polimer ve kompozit) herhangi birine ait olabilir. Diğer malzemelerden, kimyasal yapılarına göre değil, boyut açısından ayrılırlar. Nano ön eki, bu yapısal malzemelerin (varlıkların) boyutlarının nanometre ölçeğinde ve kural olarak 100 nm’nin (yakdaşık olarak 500 atom çapına denk) altında olduğunu belirtir. Nanomalzemelerin geliştirilmesinden önce, malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini anlamak için bilim insanlarının kullandıkları genel yöntemde, ilk önce malzemelerin daha büyük ve karmaşık olan yapıları çalışılır, daha sonra ise daha küçük ve basit olan temel yapı taşları incelenirdi. Bu yaklaşım, bazen “yukarıdan aşağı” bilim olarak adlandırılır. Bunun yanında, atomların veya moleküllerin tek tek incelenmesine olanak veren tarama uç mikroskoplarınm gelişmesiyle atom veya moleküllerin birer birer eklenmesi ve böylece atomsal seviyedeki bileşenlerinden başlayarak yeni yapıların tasarımı ve oluşturulması mümkün hale gelmiştir (tasarım malzemeleri). Atomların dikkatli bir şekilde yerleştirilmesi ya da dizilmesini sağlayan bu olanak sayesinde, başka bir şekilde elde edilmesi mümkün olmayan mekanik, elektrik, manyetik ve diğer özelliklerin geliştirilebilmesi olası hale gelmiştir. Bu yaklaşım “aşağıdan-yukarı” olarak adlandınlır. Bu malzemeleri özelliklerini inceleyen çalışmalara nanoteknoloji adı verilmiştir.
  Parçacık boyutları atomsal boyutlara yaklaştığında, malzemelerin sergiledikleri bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerde çarpıcı değişiklikler meydana gelir. Örneğin, makro ölçekte mat davranan malzemeler, nano ölçekte saydam hale gelebilir. Bazı katılar sıvı, kimyasal olarak kararlı malzemeler yanıcı, elektriksel olarak yalıtkan malzemeler iletken davranabilir. Ayrıca, özellikler nano-ölçek sınırlarında boyuta bağlı olarak değişebilmektedir. Bu etkilerin bazıları kuantum mekaniğinden kaynaklanırken diğerleri ise yüzey ile ilgilidir. Bir parçacığın boyutu azaldıkça yüzeyinde bulunan atomlarının oranı artar. Bu özellikleri sayesinde nanomalzemeler elektronik, biyomedikal, spor, enerji üretimi ve diğer endüstriyel uygulamalarda kendilerine yer edinmişlerdir. Nanomalzemelerin kullanım yerlerine örnek olarak; otomobilerde kullanılan katalitik dönüştürücüler, karbon nanotüpler, otomobil lastiklerinde takviye olarak kullanılan karbon siyahı parçacıkları, tenis toplarındaki nanokompozitler,sabit disk sürücülerinde kullanılan nano boyutlardaki manyetik taneler, manyetik bantlarda verileri depolayan manyetik parçacıklar verilir.