Şekil Hafızalı Metaller

Son yıllarda teknoloji alanında yaşanan gelişmelerde malzeme biliminin büyük bir rolü vardır. Akıllı malzemeler ile birlikte bilim insanları yeni bakış açıları kazanmış, ileri teknoloji ürünleri geliştirilmiştir. Isı, ışık ya da nem gibi dış etkilerle eğilen, kıvrılan, genişleyen ya da büzüşen akıllı malzemeler üzerine yaklaşık 20 yıldır yoğun araştırmalar yapılmaktadır.

Akıllı malzeme türlerinden biri olan hafızalı metaller, ısı etkisiyle şekil değiştiren ancak ilk sıcaklıklarına ulaştıklarında başlangıçtaki hallerine dönen, başka bir deyişle ilk şekillerini hatırlayan metallerdir. Hafızalı metallerde malzemenin yapısındaki bu değişim; madde katı haldeyken, hal değişimi olmaksızın, kristal yapısındaki atomların konumlarının değişmesiyle gerçekleşir.

En çok kullanılan hafızalı metallerden biri olan Ni-Ti alaşımı nitinoller, nikel ve titanyum elementlerinin hemen hemen eşit miktarda atomik oranda birlikte bulundukları intermetalik bileşiklerdir. İntermetalik bileşikler, birbirine benzemeyen metallerin oluşturduğu bileşikler olduğundan daha kuvvetli bileşiklerdir. Bileşiklerin kovalent bağda bulunması mekanik, elektriksel ve kimyasal anlamda farklı özelliklerde bulunmasına yol açmaktadır. Nitinol, yüksek sıcaklıklarda sert bir yapıdayken sıcaklığı düştükçe daha esnek bir hal alır. Böylece düşük sıcaklıkta üzerine bir kuvvet uygulandığında şekli değişebilir. Daha sonra malzemenin ısıtılmasıyla birlikte kalıcı deformasyona uğramadan yüksek sıcaklıkta sahip olduğu şekle geri döner. Şok bir soğutma uygulanırsa da bu şekli kalıcı olarak saklama özelliğine sahiptir.

Ni-Ti alaşımları, mükemmel bir biyouyumluluk gösterir. Bu nedenle günümüzde özellikle biyomedikal uygulamalarda geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Kırılmış çene kemiklerinde ve kafatası kemiklerinin sabitleştirilmesinde, canlı doku protezlerinde, omurgaların yerleştirilmesinde, diş implantlarında kullanılabilmektedir. Aynı zamanda tıkalı kalp damarlarının açılmasını sağlayan stentlerin üretiminde kullanılan malzemelerden biridir. Hafızalı metallerden üretilen boru şeklindeki stentler büzülmüş olarak tıkalı damara yerleştirilir. Şekil değiştirdiği sıcaklık vücut sıcaklığına yakın olduğundan, sıcaklığı vücuttan aktarılan ısının etkisiyle arttığında genişleyip tıkalı damarın açılmasını sağlar. İnsan vücudunda kalma süresi 20 yılı bulan bu malzeme ile önemli hastalıkların da tedavisi sağlanacaktır.

Hafızalı metallerin kullanım alanları sadece sağlık sektörüyle sınırlı değildir. Uzay araştırmaları ve robot teknolojilerinde, elektronik cihazlarda ve telefon antenlerinde de kullanılan bu akıllı malzemeler üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Kendiliğinden kurulma özelliği bulunan yapılar geliştirilerek, uzaya fırlatılması mümkün olmayan yapıların götürülüp bir dış uyarıcının etkisiyle kendiliğinden bir araya gelmesi hedeflenmektedir. Ayrıca havacılık alanında mevcut klasik sistemlerle aşılamayan birçok problemin geliştirilmekte olan akıllı malzemelerin maliyet ve ağırlık açısından kullanılabilir hale gelmesiyle çözüleceği düşünülmektedir. Mevcut menteşeli sistemin yerine şekil hafızalı alaşımlar kullanılarak menteşesiz, kanadın devamı olarak gelen kontrol yüzeyleri geliştirilmektedir. Bu sayede uçağın hava direnci düşürülerek performans artışı sağlanacaktır. Bunun bir sonraki adımı ise tümüyle akıllı malzeme kullanılarak üretilmiş kanatlar olacaktır. Uçakların uçuş şartlarına göre aerodinamik kayıpları en aza indirgenerek en verimli kanat profili ile uçması sağlanacaktır.

Raylı sistem uygulamalarında da ister insan ister yük taşımacılığı olsun konforu artırmak maksatlı birçok uygulamada yardımcı makine elemanı olarak şekil hafızalı alaşımlar yer almaktadır. Özellikle tren raylarının birleşme bölgesindeki boşlukları almak için bu alaşımlardan bağlantı parçaları geliştirilmiştir.

Hafızalı metaller kullanılarak üretilmiş birçok ürün olmasına karşın bu malzemelerin maliyeti oldukça yüksektir. Fakat kullanım alanlarının artmasıyla maliyetleri de gittikçe azalmaktadır. Başka bir deyişle henüz ticari bir potansiyele sahip değillerdir. Aynı zamanda bazı şekil hafızalı metaller, birçok kez işleme maruz bırakıldıklarında özelliklerini kaybedebiliyorlar. Yani artık tam olarak eski hallerine dönmemeye başlayabiliyorlar. Bu durumun sebebinin, uygulanan kuvvetin zamanla malzemenin kristal yapısını moleküler ölçekte zarara uğratması olarak tahmin ediliyor. Fakat eski haline sorunsuzca dönebilen, yeni ve istenilen özellikleri karşılayabilen şekil hafızalı alaşımlar ile ilgili bilimsel araştırmaların devam etmesi, önümüzdeki yıllarda bu malzemelerden yapılmış sistemleri günlük hayatımızda daha çok göreceğimizin bir göstergesi olmaktadır.