Singapur’un Nanyang Teknoloji Üniversitesi’ndeki (NTU Singapur) bilim insanları, değişen çevresel nem seviyelerine yanıt olarak polenlerden türetilen kağıt benzeri bükülen ve kıvrılan bir malzeme yarattılar
NTU Singapur araştırmacılarına göre polenden yapılan bu maddenin dış uyaranlara yanıt olarak mekanik özelliklerini değiştirebilme yeteneği, onu yumuşak robotlar, sensörler, yapay kaslar ve elektrik jeneratörleri de dahil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesinde faydalı hale getirebilir.
Dijital baskı ile birlikte, polen kâğıdı, bir mekanizmanın hareket ettirilmesinden ve kontrol edilmesinden sorumlu olan bir makinedeki yeni nesil programlanabilir doğal aktüatörlerin – bileşenlerin üretimi için umut vadediyor.
İki yıl önce Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde yayınlanan bulgular, NTU Singapur ekibinin yumuşatılmış polen taneleri kullanarak maddeyi nasıl formüle ettiğini gösteriyor.
Polen bazlı kâğıdın özelliklerini, su buharı varlığında ‘çiçek açan’ bir çiçeğe katlayarak gösterdiler. Ayrıca, polen malzemesinin fiziksel özelliklerinin, ‘yürüyebilen’ bir polen bazlı kâğıt şeridi ile ayarlanabileceğini gösterdiler.
Bu makalenin ilgili yazarları, Kimya ve Biyomedikal Mühendisliği Okulu’ndan Yardımcı Doçent Song Juha ve Ntu’daki Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu’ndan Profesör Cho Nam-Joon ve Profesör Subra Suresh.
Aynı zamanda NTU Başkanı olan NTU Profesörü Subra Suresh şunları söylüyor:
“Mühendislikte sentetik malzemelere dayalı biyo-ilhamlı sensörler ve aktüatörler geliştirmede çok ilerleme kaydedildi, ancak bu malzemeler çevresel sürdürülebilirlik ve nispeten yüksek maliyet sorunları gibi sınırlamalarla birlikte geliyor. Uygun maliyetli ve çevre dostu malzemeler kritik bir ihtiyaç olmaya devam ediyor. Tıpkı çam kozalaklarının havadaki nem miktarına bağlı olarak terazilerini açıp kapatması gibi, NTU araştırma ekibimiz de doğal olarak bol miktarda bulunan polen tanelerinden oluşturulan polen kâğıdının çevresel nemdeki değişikliklere bir aktüatör olarak tepki verdiğini göstermiştir.”
Singapur Malzeme Araştırma Derneği Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Kürsüsü Başkanı NTU Profesörü Cho Nam-Joon şunları söylüyor: “Bu bulgular, NTU ekibimiz tarafından, sert polen tanelerinin dış uyaranlara yanıt olarak özelliklerini değiştiren yumuşak mikrojel parçacıklarına nasıl dönüştürülebileceğini gösterdiğimiz son çalışmalara dayanıyor. Bu işlem aynı zamanda poleni ve ondan yarattığımız ürünleri antialerjik hale getiriyor.”
Bükülen, dönen ve hareket eden polen kâğıdı
Kâğıdı oluşturmak için, NTU ekibi ilk olarak, geleneksel sabun yapımına benzer bir işlemle ultra sert ayçiçeği polen tanelerini esnek, jel benzeri bir malzemeye dönüştürdü. Bu işlem, poleni saatlerce alkali koşullarda inkübe etmeden önce tahıl yüzeyini kaplayan yapışkan yağ bazlı polen çimentosunun çıkarılmasını içeriyor..
Elde edilen jel benzeri malzeme daha sonra bir kalıba dökülüyor, kurumaya bırakılıyor ve kâğıt benzeri bir malzeme oluşuyor.
Bilim insanları, taramalı elektron mikroskobu kullanarak, polen bazlı kâğıdın, üst tabakasının alt tabakadan önemli ölçüde daha pürüzlü olduğu alternatif polen parçacıkları katmanlarından oluştuğunu gözlemlediler.
Çıplak gözle buzlanmış görünen polen kâğıdının üst yüzeyi, ayçiçeği polen tanelerinin belirgin sivri uçlarının kalıntılarını gösterdi ve pürüzlülüğüne katkıda bulundu. Ayna benzeri bir yüzey kaplaması alan alt yüzey nispeten daha pürüzsüzdü.
Polen partikül tabakalarındaki bu yapısal fark, su buharı varlığında kâğıdın bükülmeye başladığı ve kuru koşullar altında bükülmediği anlamına geliyor. Tekrarlanan nemli ve kuru koşullar, kâğıdın zaman içinde ters çevirme hareketi yapmasına neden oluyor.
NTU Yardımcı Doçenti Song Juha bunu şöyle açıklıyor: “Su veya su buharı emilimi sırasında, kâğıttaki polen parçacıkları şişer ve genişler. Polen partikül tabakalarındaki yapısal farklılık nedeniyle, kâğıt farklı kısımlarda farklı şekilde şişer. Bu, kâğıdın kalınlığı boyunca iç gerilmelere neden olur ve bu da onu bükmeye zorlar.”
Polen kâğıdının su buharı duyarlılığını özelleştirmenin mümkün olduğunu göstermek için ekip, esas olarak polen tanelerinin alkali inkübasyon süresi olan işleme parametrelerini ayarladı. Her biri farklı inkübasyon süreleri (3 saat ve 12 saat) altında hazırlanan iki polen kâğıdı örneğini, görünür bir sınıra sahip iki malzemeli bir polen kâğıdı şeridi oluşturmak üzere birleştirdiler
İki malzemeli polen kâğıdı nemli-kuru bir döngüye maruz kaldığında, iki polen kâğıdı örneğinin neme karşı farklı reaksiyonları, kâğıdın dönüşümlü olarak genişleyerek ve yumuşak gövdesini büzerek hareket eden bir tırtıl gibi ‘yürümesine’ neden oldu.
Bilim insanları ayrıca, polen kâğıdının, su buharının kademeli olarak emilmesi yoluyla ‘çiçek açan’ polen kâğıdından yapılmış bir çiçek aracılığıyla kendi kendini harekete geçiren yumuşak bir robot olarak potansiyel uygulamasını da gösterdiler.
Profesör Suresh ekliyor: “Geliştirdiğimiz polen kâğıdı, nem değiştikçe güçlü mekanik harekete geçirme gösteriyor. Bu doğal olarak oluşan malzeme, farklı fonksiyonel ihtiyaçlar için özelleştirilmiş özelliklere sahip geniş bir yelpazede çalıştırma sistemleri geliştirme potansiyelini gösteriyor.”
Profesör Suresh, Cho ve Song’a ek olarak, yazarların listesi hepsi NTU’dan araştırma görevlileri Ze Zhao, Youngkyu Hwang ve Tengfei Fan ve Yun Yang’ı içeriyor.
