Süperhidrofobik Mi Dediniz?

Bugün sizlere bir bitki yaprağında gözlemlenen basit bir özellikle neler yapılabileceğinden bahsedeceğim. Gelin beraber tanıyalım.

Lotus çiçeği, çoğu kültürde temizliği ve saflığı simgeleyen bu çiçek, tam da bu yüzden dikkatleri üzerine çekti. Çünkü gayet pis ve kirli sularda yetişiyor olsa bile yapraklarının nasıl bu kadar temiz kaldığı Wilhelm Barthlott ve Christoph Neinhuis [1] gibi araştırmacıların da dikkatini çekti ve meraklı bilim adamlarımız bitki üzerinde çalışmaya başladı.

1997 yılına gelindiğinde gizem çözülmüştü. Araştırmacılarımız tarayıcı elektron mikroskop kullanarak yaptıkları gözlemlerde yaprakların oldukça yüksek çözünürlüğe sahip görüntülerini incelemeye başlamışlardı. İncelemelerinin sonucunda lotus yapraklarının sadece makro ölçekte değil aynı zamanda mikro ve nano ölçekte pürüzlü bir yapıya sahip olduklarını keşfetmişlerdi [1].

Şekil 1: (a) Lotus yaprağının taramalı elektron mikroskobu görüntüsü, (b) Lotus yaprağındaki su damlasının görüntüsü [2]

Lotus yaprakları 5-10 mikrometre (milimetrenin binde biri) yüksekliğinde ve birbirinden 10-15 mikrometre mesafede olan çok küçük tümseklerden oluşur. Sonuçta ortaya 0.1 mikrometre genişliğinde, tellerden oluşan pürüzlü bir yüzey çıkar. Aynı zamanda bu küçük tümsekler balmumuyla kaplıdır. Yani yaprak hem pürüzlü hem de balmumu kaplı olmasından dolayı su damlacıkları yüzeyi ile tam bir temas sağlayamaz ve kendi ağırlığıyla aşağıya doğru yüzeyi ıslatmadan düşer [3]. Yuvarlanan su damlaları yine yüzeyde bulunan kir partiküllerini kolaylıkla taşır, böylece yapraklar temiz kalır.

Başka bir deyişle lotus yaprağındaki nano ve mikro pürüzler yüzey gerilimini azaltıp, kendi yüzeyini temizleyebilen doğal bir yüzey koruma davranışı sergiler. Bu davranış̧ “lotus etkisi” olarak bilinir ve su damlalarının yaprak yüzeyinden kaymasını sağlayan süperhidrofobiklik özelliği olarak açıklanır. Nano yüzey pürüzlerinin yüksek yoğunluğu ve tümsekler arasında kalan hava paketleri nedeniyle hiçbir su molekülünün yüzeyle temasına izin vermez ve yuvarlanan su zerreleri yaprakta bulunan tozları da temizleyerek akar. Bu davranış̧ kendini temizlemek olarak adlandırılır [4].

Şekil 2: (a) hidrofobik olmayan ve (b) hidrofobik yüzeylerde kendi kendini temizleme işleminin şematik gösterimi [5].

Şimdi söylediklerimiz ne anlama geliyor bunu anlamak için şu terimlere göz atalım.

Temas Açısı Nedir?

“Temas açısı”, bir katı yüzey ile bu katı yüzey üzerindeki sıvı damlası arasında katı, sıvı ve hava (buhar) fazlarının kesişmesinden oluşan noktadaki teğetin açısıdır (θο) [6].

Şekil 3: Katı yüzey ile üzerindeki su damlasının arasındaki temas açısının şematik gösterimi (γSL, γSV,γLV sırasıyla katı-sıvı, katı-buhar ve sıvı-buhar ara yüzey gerilimleridir.)

Temas açısının büyüklüğü, kohezyon kuvvetleri ile adezyon kuvvetlerinin büyüklüğüne bağlıdır. Kohezyon kuvvetlerinin (sıvının kendi molekülleri arasındaki çekim kuvveti) büyüklüğü, adezyon kuvvetlerinin (sıvı-katı arası çekim kuvveti) büyüklüğünden ne kadar fazla ise; sıvı ve katı yüzey arasındaki temas açısı da o denli fazla olur. Düşük açı değerleri (90°den küçük) ise güçlü bir katı-sıvı etkileşmesini gösterir. Bu durumda sıvı, katıyı iyi ıslatır ve katı üzerinde yayılır. Böyle yüzeyler “hidrofilik” olarak nitelendirilir. Temas açısı 90°den büyük bir yüzey ise ıslanmayan yani “hidrofobik” bir yüzeydir. Katı bir yüzey üzerinde su damlasının temas açısı 150°den büyükse, o zaman bu yüzey “süperhidrofobik” olarak adlandırılır.

Şekil 4: Su damlası ile verdiği açıya göre karakterize edilen yüzey çeşitleri [7].

Kayma Açısı Nedir?

Katıyı hiç ıslatmayan bir damla, hafifçe eğim verilen bir yüzey üzerine bırakıldığında; tıpkı katı bir top gibi kaymadan ve yapışmadan yuvarlanma özelliğine sahiptir. Katıyı kısmen ıslatan damlalar ise bir zemin üzerine yapışır ve yuvarlanarak değil kayarak yer değiştirir (Şekil 5). Damlanın yüzey üzerinden kayabilmesi için gerekli açı “kayma açısı” olarak tanımlanır ve süperhidrofobik yüzeyler için 5°den küçüktür [6].

Şekil 5: Su damlası süperhidrofobik yüzey üzerinde adeta bilye gibi yuvarlanarak toz ve pislikleri temizliyor. (Ø = kayma açısı)

Doğada süperhidrofobik özellik, sadece nilüfer çiçeği yapraklarına özgü değildir. Çok sayıda böceğin yapısının da süperhidrofobik özellik gösterdiği, kendi kendini temizleme yeteneğine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Kelebeklerin, ağustos böceklerinin ve kuşların kanatlarından; toz parçacıkları, çamur veya su damlaları kolaylıkla uzaklaşabilir. Bu özellikleri yüzeylerinde mikro yapılar olmasından ileri gelir.

Süperhidrofobik Yüzeylerin Uygulama Alanları [6]

● Kir tutmayan süperhidrofobik yüzeylerin uygulama alanları arasında şeffaf ve yansıma önleyici camlar, gözlükler, elektronik cihazlar için optik pencereler, buğu tutmayan aynalar, su itici özelliğinden dolayı silecek gerektirmeyen otomobil camları, çamur ve kar tutmayan trafik lambaları, reklam panoları, buzdan etkilenmeyen televizyon antenleri, sürtünmesiz ve dolayısıyla kaybın olmadığı yüzeyler sayılabilir.

● Tıp alanında, kalp ameliyatlarında takılan stentlerin çeperlerinde madde birikmesine karşı kanın ve içinde taşıdığı maddelerin yüzeye tutunmasını engellemek amacıyla süperhidrofobik malzeme kullanılır.

● Tıp alanında sıvıların kontrollü olarak taşınmasında da süperhidrofobik yüzeyler kullanılabilir. Bu yüzeyler enjekte edilen ilaçların hastalıklı bölgeye istenilen miktarda ve kayıpsız aktarılmasını sağlar.

● Kir tutmayan süperhidrofobik kumaşların üretilmesini sağlar. Böylece temizlik için kullanılan deterjanlardan tasarruf edilebileceği gibi temizlenen yüzeylerin mekanik aşınımının da önüne geçilir ve ürünlerin kullanım ömrü artırılabilir.

● Yosun tutmayan gemi boyası üretimi yine bu teknoloji sayesinde mümkün olabilecektir. (Günümüzde gemi boyalarında denizde yaşayan mikroorganizmaları öldürmek için kullanılan “biosidkimyasalları” zehirli olup, denizlerde ciddi çevre kirliliği yaratarak balıkların da ölümüne sebep olmaktadır.)

● Buzlanmayı önleyici kaplamalar olarak süperhidrofobik kaplamalar kullanılır. Süperhidrofobik yüzeylerde hava paketlerinin varlığı, su damlacıklarının yüzeyde kolayca kaymasına neden olur. Bu nedenle damlacığın yüzeyde donması için yeterli zaman olmayacaktır, bu da donların yüzeylerdeki yan etkilerini azaltır [5].

● Antibakteriyel özellikler biyosensörler, implantlar, gıda ambalajları endüstriyel ve denizcilik ekipmanlarında çok önemlidir [5].

● Mimaride de kullanım alanları vardır: kendi kendini temizleyen dış cephe boyaları. Antibakteriyel özellikler gösteren kapı kulpları gibi uygulamalar örnek gösterilebilir.

Kaynakça:

1. Bhushan, B. (2012). Nature’s nanotechnology. (Y. Demir Çev.) Mechanical Engineering, 54. 643, 18-22.

2. https://inovatifkimyadergisi.com/sivilarin-islatma-yetenekleri-ve-temas-acisi Erişim 15.10.2020

3. https://roboturka.com/bilim/nanoteknoloji-de-inovasyon-nilufer-lotus-cicegi/ Erişim 15.10.2020

4. Arın, T. Yüzey Kaplamalarda Nilüfer Etkisi ve Uygulamaları.

5. Khodaei, M. (2019). Introductory Chapter: Superhydrophobic Surfaces-Introduction and Applications. In Superhydrophobic Surfaces-Fabrications to Practical Applications. IntechOpen.

6. Erbil, Y. H., & Uçar, İ. (2010). Kir Tutmayan Yüzeyler. Bilim ve Teknik, 51-57.

7. https://inovatifkimyadergisi.com/sivilarin-islatma-yetenekleri-ve-temas-acisi Erişim 15.10.2020