Nanoparçacıklardan Sert Metal Üretimi

Metallerin çoğu katı hâldeyken kristalli bir yapıya sahiptir: Atomlar periyodik olarak tekrar eden konumlarda bulunur. Ancak bu yapı hiçbir zaman tam anlamıyla mükemmel değildir. Atomların olması gereken bazı konumlar boş kalabilir ya da bazı atomlar “yanlış” konumlarda bulunabilir. Ayrıca yapıya karışan farklı tür atomlar da malzemenin saflığını ve simetrisini bozar.

Metallerde en sık görülen kristal yapıları. Görseller: Wikipedia

Kristalli katıların mikro yapısı incelendiğinde en dikkat çeken şeylerden biri tane sınırlarıdır. Tane sınırlarının nasıl ortaya çıktığını anlamak için sıvı bir metalin katılaşmakta olduğunu düşünelim. Katılaşma başladığında malzemenin içindeki çok sayıda noktada kristal yapıları ortaya çıkmaya başlar. Zamanla büyüyen bu kristaller birbirleriyle karşılaştıklarında birbirlerine göre yönelimleri çoğu zaman uyumsuz olur.

Farklı kristallerin bir araya geldiği bölgelerde tane sınırları ortaya çıkar.

Tane sınırları olarak adlandırılan, farklı kristallerin bir araya geldiği bu sınır bölgeleri malzemeleri kırılganlaştırır. Kristalli yapıdaki bir malzemenin üzerine giderek artan bir kuvvet uygularsanız, ilk olarak tane sınırlarının olduğu bölgelerde çatlamalar başlar.

Bir metalin yapısındaki kristaller ve dolayısıyla tane sınırları ne kadar büyükse metal o kadar kırılgandır. Bu yüzden metalleri daha sert ve dayanıklı hâle getirmenin yolu, malzemenin içindeki kristalleri küçültmekten geçer. Bugün metalleri sertleştirmek için kullanılan eğme, bükme, silindirlerin arasından geçirme ya da balyozla dövme gibi yöntemler de aslında malzememin yapısındaki kristalleri küçültür.

Paslanmaz çeliğin mikro yapısındaki tane sınırları

Brown Üniversitesinde çalışan Prof. Dr. Ou Chen ve öğrencileri sert metal elde etmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Bugün sert metal elde etmek için kullanılan yöntemlerin aksine, araştırmacılar makro büyüklükteki metal malzemelerde bulunan kristalleri küçültmeye çalışmıyor. Nanoparçacıkları (boyutları metrenin milyarda biri ölçeğinde olan parçacıkları) bir araya getirerek makro büyüklükteki metalleri üretiyorlar. Üstelik ortaya çıkan son ürünler standart yöntemlerle üretilenlerden daha sert oluyor.

Yeni yöntemin önemli bir avantajı, malzemeyi oluşturan kristallerin büyüklüğünün isteğe göre ayarlanabilmesi ve birbirine yakın büyüklüklerde kristaller içeren malzemeler üretilebilmesi. Balyozla dövmek gibi yöntemlerde kristallerin büyüklüğünü ayarlamak çok zordur. Ortaya çıkan üründe genellikle çeşitli boyutlarda kristaller bulunur. Nanoparçacıkların büyüklüğünü kontrol etmekse çok daha kolaydır.

Araştırmacılar kendi geliştirdikleri yöntemle altın, gümüş, paladyum gibi elementlerin nanoparçacıklarından “madeni paralar” üretip fiziksel özelliklerini test ettiklerinde, yeni yöntemle üretilenlerin standart yöntemle üretilenlere kıyasla daha sert olduğunu gözlemlemişler. Ayrıca yeni yöntemle üretilen metallerin elektrik iletkenliği ve ışığı yansıtma gibi özelliklerinde de belirgin bir değişim görülmemiş.

Altın, gümüş, paladyum gibi çeşitli metallerden yeni yöntemle üretilen madeni paralar

Nanoparçacıklar genellikle bir araya gelerek bağ kurmalarını engelleyen organik moleküllerle kaplanır. Yeni yöntemi geliştirirken aşılması gereken en büyük sorunlardan biri de bu organik moleküllerin nanoparçacıklardan nasıl ayrılacağı olmuş. Araştırmacılar bu sorunu aşmanın kimyasal bir yolunu bulmayı başarmışlar.

Metal nanoparçacıkların rengi makro büyüklükteki metallerden farklıdır. Araştırmacılar da üretim sürecinin başarılı bir biçimde tamamlandığını renk değişimlerinden anladıklarını söylüyorlar. Örneğin altın nanoparçacıklar mor-siyah karışımı bir renge sahiptir. Ancak bir araya gelip makro büyüklükte bir metali oluşturduklarında ortaya çıkan ürünün rengi günlük hayattan aşina olduğumuz altınlarınki gibi oluyor.

Yeni yöntemin herhangi bir türde metal elde etmek için kullanılabileceği belirtiliyor. Örneğin metal atomlarından oluşan ancak cam gibi amorf yapıda olan malzemeler metalik camlar olarak adlandırılır. Metalik camlar genellikle alaşımlardan elde edilir, saf metallerden metalik cam elde etmekse çok zordur. Ancak araştırmacılar amorf yapıda nanoparçacıklar kullanarak kendi geliştirdikleri yöntemle metalik cam elde etmeyi de başarmışlar.

Araştırma ile ilgili detaylı bilgiye Dr. Yasutaka Naguoka ve arkadaşlarının Chem’de yayımlanan makalesinden ulaşabilirsiniz.