Malzeme Bilimi 101

Malzeme Bilimi Nedir?

Bir fonksiyonu olan maddelere malzeme denir. Malzeme bilimi ise kimya ve katı hal fiziğine dayanan kökleriyle malzemenin yapısını inceler. Atomlar arası bağlar, eksik/fazla atomlar, atomların dizilişi ve kristal yapıları malzeme biliminin temel ilgi alanlarıdır. Isıl işlemler, yüzey sertleştirme ve aşındırma gibi işlemler malzeme biliminden elde edilen diyagramlar sonucunda uygulanır.

Tasarlama ve uygulamanın başı malzemeyi bilmekten geçer, bu sebeple malzeme bilimi tüm mühendislik bölümlerinde ders olarak okutulur. En temel düzeyde atomların diziliş şekli ve yoğunluğunu incelemekle başlayan bu bilim, malzemeleri üç ayrı kategoriye ayırır: metaller, plastikler ve seramikler.

Metaller, ısı ve elektrik iletkenlikleri yüksek, çeşitli işlemlerle biçimlendirilebilir malzemelerdir.
Plastik/polimerler, yumuşak, biçimlendirilebilir, ısı ve elektriği yalıtan, düşük yoğunlukta malzemelerdir.
Seramikler, oksitler ve nitrürler gibi metal ve ametal elementlerden oluşan bileşiklerdir. Ayrıca kırılgandırlar.

Malzemelerin Özellikleri

Malzemelerin mekanik, elektrik, termal, manyetik, optik ve kimyasal özellikleri vardır. Bu özellikler de atomların çeşitleri, dizilişleri, tanecik boyutları ve safsızlıklarıyla şekillenir. Malzemelerin, özellikleri doğrultusunda uyaranlara verdikleri cevaplar değişir. Uygulanan yük sonucunda ürünün deforme olup olmayacağı, elektriği iletip iletmediği, manyetik alandan etkilenip etkilenmediği veya ışığı soğurup soğurmadığı gibi özellikler aslında en basit anlamda malzemenin yapısındaki atomların dizilişi ve taneciklerin boyutu gibi yukarıda bahsedilen faktörlere bağlıdır.

Malzeme Biliminin Tarihi

Antik çağlarda kemik, çakmak taşı, doğal fiberler ve tahta ile başlayan malzeme biliminin, geçtiğimiz yüz yılda yaşam kalitemizin artmasında oldukça büyük bir payı vardır. 1860’larda çelik üretiminin artmasıyla başlayan süreç, 1930’larda PVC (polivinil klorür) üretimi ve 1950’lerde silikonun üretimiyle devam etmiştir. Günümüzde ise iletişim alanındaki fiber optik malzemeler, biyoteknoloji alanındaki biyouyumlu polimerler, enerji alanındaki güneş pilleri ve savunma sanayindeki gece görüş özelliği malzeme biliminin hayatımıza kattığı yeniliklerden sadece birkaçıdır. Geçmişte kulağa bilimkurgu senaryo gibi gelen 3 boyutlu yazıcıdan çıkma organlar, kanımıza karışarak hastalıkları önden tespit edebilen nanobotlar, sadece 2 boyutlu bir karbon atomları düzeni olmasına rağmen çelikten 300 kat daha sağlam olan grafen vb gelişmeler malzeme biliminin günümüzde normalleştirdiği teknolojilerden sadece birkaçıdır.

Ham Maddeden Mühendislik Malzemesine

İnsanlığın iletişim, barınma, yemek, ilaç ve eğlence gibi ihtiyaç ve isteklerine cevap verecek ürünlerin yapımı için ham maddelerin, pratikte kullanılabilecek malzemelere dönüşmesi gerekir. Mekanik yükleri veya elektrik akımını taşımak, ısı izolasyonu sağlamak ve aşınmayı önlemek bu kullanımlardan birkaçıdır. Farklı kullanımlar için de farklı özellikte malzemeler gerekir. Örneğin cama bor elementinin katılmasıyla ısıya dayanıklı borcam elde edilir. Borcamın genleşme katsayısı, soda camından üç kat fazladır ve termal şoka dayanıklılığı oldukça yüksektir.

Yine son yılların popüler gelişmelerinden akıllı malzemeler, çevresel faktörlere göre özellik değiştirebilmektedir. Rüzgar, nem, sıcaklık, manyetik alan veya kuvvet gibi faktörlerin değişimine tepki veren bu malzemeler, soğuk içecek tenekelerinden kıyafet kumaşlarına kadar geniş bir yelpazede kullanılır. Örneğin bir akıllı malzeme çeşidi olan şekil hafızalı alaşımlar, erime sıcaklığının üzerinde dahi şekil değiştirmeyen metallere sahip olmamızı sağlar.

Yukarıda bahsedilen biyouyumlu polimerler de insan vücudundaki doku ve organların yerini tutabilmeleri açısından malzeme bilimindeki hayat kurtaran gelişmelerindendir. Organ nakli gibi sınırlı sayıda kaynağa sahip işlemlere alternatif yaratabilen biyouyumlu malzemelerin kalp pilleri, protezler ve diş telleri gibi kullanım alanları da vardır.

İleri okuma için ODTÜ öğrencilerinin çıkardığı MATTER isimli dergiye göz atabilirsiniz: https://blog.metu.edu.tr/wwwmtr/archive/

Yazar: Esin Becenen
Editör: Fuad Eren

Kaynakça

• Güven, Ş. (2014). Biyouyumluluk ve Biyomalzemelerin Seçimi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 2(3). 303-311.

Görsel Kaynakça

• Master of Science. Erişim adresi: https://chemie.uni-paderborn.de/en/studium/master-of-science/materials-science/

• Material Science and Engineering. Erişim adresi: https://materials.engineering.unt.edu/research