Su Geçirmeyen Akıllı Yüzeyler

Yağmurlu bir günde yolda yürürken yakınınızdaki su birikintisinden hızla geçen bir arabanın sıçrattığı su nedeniyle ıslandığınızı ve kıyafetlerinizin kirlendiğini düşünün. Üzerinize sıçrayan su hiç iz bırakmadan kıyafetinizin yüzeyinden akıp gitseydi ne kadar harika olurdu değil mi? Günümüzde su geçirmeyen kumaşlar ve yüzey kaplamaları birçok alanda kullanılıyor. Bu tür yüzeyler hidrofobik kaplama olarak isimlendiriliyor. Peki, su emilmeden bu yüzeylerin üzerinden nasıl akıp gidiyor?

Deneyler köşesinin bu projesinde kolaylıkla bulabileceğiniz malzemelerle hidrofobik kaplama yaparken akıllı yüzeylerin doğadaki örneklerini ve kullanım alanlarını öğreniyoruz.

 

Bilmekte Fayda Var!

Hidrofobik ifadesi “su” anlamına gelen Yunanca hydro ve “korku” anlamına gelen phobos kelimelerinden oluşur ve sudan korkan” ya da “suyu sevmeyen şeklinde Türkçeye çevrilebilir. Hidrofilik ifadesindeki Yunanca philia kelimesi ise “arkadaşlık”, “sevgi” anlamına gelir ve hidrofilik “suyla arkadaş” ya da “suyu seven” şeklinde Türkçeye çevrilebilir. Süperhidrofobik ve süperhidrofilik ifadeleri ise sırasıyla “sudan nefret eden” ve suyu çok seven” demektir.

Bir yüzeyin hidrofobik mi yoksa hidrofilik mi olduğu su damlacığının bir yüzey üzerinde ne kadar yayıldığına bağlıdır ve su damlacığı ve yüzey arasındaki temas açısı ile ölçülebilir.

Temas açısı 90 dereceden büyük yüzeyler hidrofobiktir. Bu tür yüzeyler üzerinde su damlacıkları yayılmaz, damlacık şeklinde kalır. Temas açısı 90 dereceden küçük yüzeyler hidrofiliktir. Bu tür yüzeyler üzerinde su homojen şekilde yayılır, damlacık şeklinde kalmaz. Süperhidrofobik yüzeylerin su damlacıkları ile temas açısı 150 derecenin üzerindedir.

Yukarıdaki fotoğrafın sağında suyun hidrofobik kaplama yapılan yüzey üzerinde, solda ise kaplama yapılmayan yüzey üzerinde yayılışı görülüyor.

Doğada hidrofobik yüzeylerin örneklerine rastlayabiliriz. Örneğin nilüfer (Nelumbo nucifera) çiçeğinin yapraklarının temas açısı 161 derecedir yani süperhidrofobik özelliktedir. Bitkinin yapraklarının üzerine düşen su damlaları yaprak yüzeyine yayılmadan damlacık şeklinde yuvarlanarak yere düşer. Bu sayede yapraklar kendi kendini temizler.

Materials Today - Nelumbo nucifera çiçeğinin süperhidrofobik yaprak yüzeyinin taramalı ışık mikroskobuyla çekilen görüntüsü

Yüzeylere kendi kendini temizleyebilme ya da bazı maddeleri itme özelliği kazandıran malzemeler akıllı yüzey kaplamaları olarak isimlendirilir. Çoğunlukla nano (metrenin milyarda biri) ölçekte olan bu malzemeler süperhidrofobik ya da süperhidrofilik özellikte olabilir. Süperhidrofilik yüzeylerde yüzeye yayılan su akarken kiri de beraberinde götürür. Süperhidrofobik yüzeylerde ise su damlacıkları yuvarlanırken kir üzerine tutunur. Örneğin yüzeyi hidrofobik kaplama ile kaplanan arabaların dış camları hem temiz kalır hem de su damlacıkları yüzeye tutunmadığı için görüşü olumsuz etkilemez. Ayrıca daralan kalp damarlarını genişletmek için takılan stentlerin iç çeperi süperhidrofobik yüzeyle kaplanır. Bu sayede stentlerin iç çeperi daha kaygan hâle gelir ve tıkanmaları engellenebilir. Bunlar gibi doğadan ilham alınarak geliştirilen hidrofobik kaplama teknolojileri birçok alanda kullanılıyor.

Nelere İhtiyacımız Var?

• Sprey vernik
• Deodorant
• Gıda boyası
• Deseni olmayan cam kap
• Elektrik bandı
• Kâğıt

 

Uyarı:

Etkinliğe başlamadan önce koruma gözlüğü ve eldiven takılmalı, laboratuvar önlüğü giyilmelidir.

Kimyasal maddeleri kullanırken dikkatli olunmalı, bu maddeler solunmamalı ve yutulmamalıdır.

 

Ne Yapıyoruz?

 

. Cam kabın dış yüzeyine elektrik bandını herhangi bir şekil oluşturacak biçimde yapıştıralım.

. Cam kabın elektrik bandıyla şekil oluşturduğumuz yüzeyine sprey vernik sıkalım. Vernik uygulamasından hemen sonra kurumasına fırsat vermeden tüm yüzeye deodorant sıkalım.

Bu işlem açık havada ya da hava dolaşımı sağlanan bir ortamda yapılmalıdır.

. Vernik ve deodorant sıktığımız yüzeyin kuruması için en az 1-2 saat bekleyelim.

Hidrofobik yüzey kaplamamız hazır.

. Bir kaptaki suya birkaç damla gıda boyası damlatalım.

. Cam kabın üzerine yapıştırdığımız elektrik bantlarını çıkaralım.

. Suyun cam yüzey üzerinde yayılışını daha kolay gözlemleyebilmek için cam kabın iç tabanına beyaz kâğıt yapıştıralım.

. Boyalı suyu yavaşça cam kabın dış yüzeyinde gezdirerek dökelim.

Hidrofobik yüzey kaplamasının suyun bir yüzey üzerinde yayılışını nasıl etkilediğini daha belirgin şekilde kıyaslayabilmek için cam kabın yarısını kâğıtla kapatıp diğer yarısına kaplama yaparak deneyi tekrar edebilirsiniz.

 

Ne Oldu?

Cam kabın üzerine su döktüğümüzde, su, elektrik bandıyla kapattığımız ve hidrofobik kaplama yapmadığımız yüzeyde toplanır. Su, hidrofobik kaplama yaptığımız yüzeyden hidrofobik kaplama yapmadığımız yüzeye doğru hareket eder.

Kullandığımız deodorant yüzeye hidrofobik özellik kazandıran maddedir. Sprey vernik ise hidrofobik deodorant katmanının cam yüzeye tutunmasını sağlayan bir yapıştırıcı görevi görür.

Deodorantın içinde bütan ve propan isimli hidrokarbon bileşikleri vardır. Hidrokarbonlar hidrojen ve karbon atomlarından oluşan kimyasal moleküllerdir. Hidrokarbonlarda karbon ve hidrojen atomları birbirlerine polar olmayan kovalent bağlar ile bağlıdır. Hidrokarbon moleküllerinde kimyasal bağın oluşumunda ortaklaşa kullanılan elektronlar karbon ve hidrojen atomları tarafından eşit oranda çekilir. Çünkü karbon ve hidrojen atomlarının elektron çekme istekleri birbirine yakındır. Dolayısıyla hidrokarbon molekülleri polar yapıda olmayan moleküllerdir, yani molekülde artı ve eksi yük yoğunluğu birbirinden farklı olan bölgeler yoktur. Su ise polar bir moleküldür.

Polar olmayan yapıdaki hidrokarbon molekülleri polar yapıda olan suyla hidrojen bağı oluşturamaz. Su molekülleri ile hidrokarbon molekülleri birlikte bulunduğunda, hidrokarbonlar su moleküllerinden uzakta durmaya çalışır yani su moleküllerini ittikleri söylenebilir. Bu nedenle hidrokarbonlar hidrofobik özelliktedir.

Hidrokarbon ve su moleküllerinin etkileşimi

Değerli bilim insanımız Prof. Dr. Oktay Sinanoğlu polar olmayan bir çözünen ile polar yapıdaki bir çözücü arasındaki etkileşimleri açıklayan ve hidrofobik etkileşimleri de kapsayan solvofobik kuramını bilim dünyasına kazandırmıştı.

 

• Özgür, H., Gemici, Z., Bayırdır, M., Akıllı Nanoyüzeyler, Bilim ve Teknik, Sayı 473, s. 52-56, 2007.
• Avcı, G., G., İşlevsel Nano Kaplamalar, Bilim ve Teknik, Sayı 497, s. 48-49, 2009.
• Chieng, B., W., Ibrahim, N., A., Daud, N., A., Talib, Z., A., Functionalization of Graphene Oxide via Gamma-Ray Irradiation for Hydrophobic Materials, Synthesis, Technology and Applications of Carbon Nanomaterials, Elsevier, s. 177-203, 2019.
• Bruni, R., Biyo-inovasyon, The Kitap, 2019.
• Darmanin, T., Guittard, F., “Superhydrophobic and superoleophobic properties in nature”, Materials Today, Cilt 18, Sayı 5, s. 273-285, 2015.
• http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/hydropho.htm