Yüzyılı aşkın süredir üretilmeye çalışılan ve tamamen su tutmayan yüzey, gelişmiş lazer teknolojileri yardımı ile Rochester Üniversitesi bilim insanları tarafından üretildi. Süper hidrofobik bu metal herhangi bir kaplamaya ihtiyaç duymadan, temas eden sıvıların yüzeye tutunmasını olanaksız kılıyor ve ıslanmıyor.
Islanma, bir sıvının moleküller arası etkileşimler nedeniyle bir katı ile temas kurmasıdır. Islanma derecesi sıvı ile katı arasındaki adezyon ve sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerine bağlıdır. Başka bir deyişle sıvı ve katı maddeye ait moleküllerin birbirini karşılıklı çekmesine karşı koyan kuvvet, sıvı moleküllerinin kendi içinde birbirini çekme kuvvetidir. Bu iki kuvvet arasındaki dengeye bağlı olarak bir madde daha az ıslanır, daha çok ıslanır ya da hiç ıslanmaz.
Su itme, su tutmama ya da hidrofobik özellik, katı maddelerin sıvıları yüzeyinde barındırmaması ile ilgilidir. Bilim insanları uzunca bir süredir malzemelere ıslanmaz özellik kazandırmak için çabalıyorlar. Su tutmayan elbiselerden gıdalara, implantlara, hatta cinsel oyuncaklara kadar uzanan bir çalışma alanı var. Bir yüzeye hidrofobik özellik kazandırmak, yaygın olarak yüzeye çeşitli molekülleri kimyasal veya fiziksel olarak bağlamakla mümkün olur. Bu amaçla özel spreyler geliştirilmiştir. Bu spreyler sıkıldıkları yüzeyleri ince bir film tabakası ile kaplayarak ıslanmaz özellik kazandırır. Öte yandan bir maddenin su tutma derecesi yüzey özellikleri ile doğrudan ilişkilidir.
Bir kaç yıl öncesine kadar herhangi bir kaplama yapılmaksızın tamamen ıslanmaz bir yüzey geliştirmek mümkün değildi, ancak Rochester Üniversitesi'nden bilim insanları ilk kez hiçbir kaplamaya ihtiyaç duymadan kendinden ıslanmaz bir madde geliştirdiklerini duyurdu. Ortaya çıkan malzeme, yüzeyi lazer ışınları ile nanometre boyutlarında işlenmiş ve tam anlamıyla ıslanmayan bir metal plaka.
Neden hidrofobik?
Maddelere hidrofobik yani su sevmeyen özellik kazandırmak neden önemlidir? Öncelikle, su tutmayan bir malzeme ıslanmaz ve ıslanmayan bir malzeme kirlenmeye, nemlenmeye, çürümeye karşı dayanıklı hale gelir. Mesela, sağlık alanında hidrofobik malzemeler bir implant veya cihazda bakterilerin tutunmasını engellemek amacıyla kullanılır.
Su sevmeyen maddeler lotus bitkisi gibi doğada var olan yapılardır. Nano teknolojideki gelişmeler ve yaklaşımlar sayesinde, bu maddelerin incelenmesi kolaylaştı. Maddelerin yüzey özelliklerinin ıslanma derecesi ile doğrudan ilişkili olduğu görüldü.
Maddelerin su itme derecesi ya da hidrofobiklik bir damlanın madde yüzeyi ile yaptığı açıya göre sınıflandırılır.
Islanmayan yüzeyler üzerlerine düşen damlaların tutunmasına olanak sağlamayarak bir nevi onları iter. Süperhidrofobik yüzeylerin geliştirilmesinde yüzeydeki nano pürüzlülük oldukça etkilidir.
Bir maddenin yüzeyinde bulunan çıkıntıların aralarındaki mesafe ve derinlikleri su moleküllerinin yüzeye tutunmasında belirleyicidir.
Moleküllerin birbirini çekmesi sıvıların damla halinin sebebidir. Küre biçimi birbirini çeken bir grup molekül için en kararlı haldir, dolayısıyla bir maddenin yüzeyindeki bir sıvı damlası küre şeklini alma eğilimindedir. Sıvı ve katı arasındaki etkileşim bu küre biçiminin bozulmasına ve sıvı damlasının yüzeye tutunmasına sebep olur; ancak yüzeydeki nano boyutlu girinti ve çıktılar, sıvı moleküllerinin bir arada kalma isteği sonucu yüzeye tutunmamasını sağlayabilir.
Nasıl?
Malzemelerin yüzey özelliklerini nanometre boyutunda düzenlemek günümüzde yüksek enerjili lazerler ile mümkündür. Bu lazerler bir nevi darbeli matkap gibi çalışarak malzemenin yüzeyine belirli aralıklar ile lazer ışığı gönderir. Bu aralıklar ne kadar sık ise yüzeyde o sıklıkta yapılar, desenler oluşacaktır.
Rochester Üniversitesi'nde üretilen süper hidrofobik metalin işlenmesinde kullanılan lazer, her bir lazer ışını darbesini 1 femtosaniyede gönderen en gelişmiş sistemlerdendir. Femtosaniye, ışığın bir virüsün çapı kadar mesafeyi katettiği süredir. Kullanılan lazer sisteminin gücü sayesinde ilk kez tamamen kendiliğinden su tutmayan süper hidrofobik bir metal geliştirilmesi mümkün olmuştur. Applied Physics Letters dergisinde yayınlanan çalışmada 2.5 cm kenar uzunluğuna sahip metal bir kare levha 1 saat sürede işleniyor; ancak bu yüksek performanslı teknoloji su tutmayan malzemeler geliştirilmesinde oldukça büyük bir adım. Nanometre seviyesinde çözünürlükle yüzeyler sıvıların yüzeye tutunma derecesinin yanı sıra yüzey üzerindeki hareketlerine yön verecek şekilde işlenebilir.
Derleyen: Seyit Zor / @vaybesuperim
Kaynak: “Laser-generated surface structures create extremely water-repellent metals”; Newscenter, http://www.rochester.edu/
Görsel: J. Adam Fenster / University of Rochester
