Radyasyon Geçirmez Malzeme Nasa Ödülü Aldı

Bursa’da faaliyet gösteren Işıklar Askeri Hava Lisesi öğrencileri tarafından “Milli Kalkan: Sodyum Pentaborat Projesi” kapsamında geliştirilen radyasyondan korunmaya yönelik materyal, Dünya Liselerarası Proje Yarışması’nda kimya dalında ikinci seçilerek, NASA ödülüne layık görüldü.

sodyum-pentaborat

Lisede görevli Hava Öğretmen Binbaşı Mustafa Şevik, yaptığı açıklamada, iki yıldır yürüttükleri projenin, “Dünyanın sorunu olan ve etkileri giderek artan radyasyonun zararlı etkilerine karşı insanlığı korumak için neler yapabiliriz?” sorusuyla ortaya çıktığını söyledi.

Daha sonra proje kapsamında bir bor türevini kullanarak nötron tutucu materyal geliştirdiklerini belirten Şevik, bunun radyasyon testlerine tabi tutulması neticesinde çıkan sonuçlara göre yüzde 100’e yakın bir koruma sağladığını bildirdi.

Şevik, günlük hayatta “x” ve “gama” ışınlarının daha çok kullanıldığını ve insanlar için büyük tehdit oluşturduğunu dile getirerek, şöyle devam etti:

“Kullandığımız materyalin nötron tutucu özelliği vardı ama x ve gama ışınlarını tutucu özelliği yoktu. Bununla ilgili ne yapabiliriz diye düşündük ve bir baryum türevini x ve gama ışınlarını tutucu olarak kullanmaya karar verdik. Baryum türeviyle yaptığımız çalışmalar neticesinde x ve gama ışınlarına karşı da yüzde 100’e yakın koruma sağladık. Dolayısıyla ikisini birleştirerek hem x ve gama ışınlarına hem de nötrona karşı tam koruma sağladık. Bu iki yıllık çalışma süresinde NASA ve CERN gibi kurumların yanında 8 üniversite ve birçok kamu ile özel kuruluşlarla da çalışıldı. Proje geçen sene Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından gerçekleştirilen okullar arası yarışmada kimya kategorisinde Türkiye birincisi seçildi. Ayrıca yarışmanın en prestijli ödülü olan yılın genç araştırmacıları ödülünü kazandık.”

sodyum-pentaborat2

“RADYASYONDAN KORUYUCU MATERYAL” ULUSLARARASI ARENADA

Projenin TÜBİTAK tarafından milli takım olarak seçildiğini anlatan Şevik, ABD’nin Pittsburg kentinde düzenlenen Dünya Liselerarası Proje Yarışması’nda Türkiye’yi temsil ettiklerini aktardı.

Yarışmada, “radyasyondan koruyucu materyal”in bin 700 proje arasında kimya dalında dünya ikincisi seçildiği bilgisini veren Şevik, “Projemiz ayrıca yarışmanın en prestijli ödülü olan NASA ödülü ile kimya dalının en prestijli ödülü olan Amerikan Kimya Derneği ödülüne layık görüldü. Orada 3 kez ödül aldık ve 3 kez bayrağımız dalgalandı. 15 bin kişilik salonda bayrağımızı dalgalandırmak çok güzeldi” ifadesini kullandı.

“KURŞUNDAN 10 KAT DAHA HAFİF”

Çalışmalara geçen yıl 12’nci sınıf öğrencisiyken başladığını belirten Seyit Alp Herdem ise ilk sene aktif olarak görev aldığını, ikincisinde de bilgi ve deneyimlerini arkadaşlarına aktardığını ifade etti.

Herdem, proje kapsamında ürettikleri radyasyona karşı koruma sağlayabilen materyalin birçok alanda kullanılabileceğine değinerek, “Bu materyalin başta tıp olmak üzere endüstri, havacılık ve uzay sanayi, nükleer gibi radyasyonun var olduğu her türlü alanda radyasyondan korunmak için kullanabileceğimizi öngörüyoruz çünkü ürettiğimiz madde, günümüzde radyasyonda korunmak amacıyla kullanılan kurşundan 10 kat daha hafif, 136 kat daha ucuz, çevreye ve insan sağlığına zararsız” diye konuştu.

Bu materyalin günlük hayatta kullanmasını amaçladıklarına işaret eden Herdem, arkadaşlarının geliştirme çalışmalarını sürdürdüğü bilgisini verdi.

Projenin Genius Dünya Proje Yarışması’nda 69 ülke ve bin 997 proje arasında birinci seçilerek altın madalya kazandıklarını bildiren Herdem, 14-22 Eylül’de Avrupa Birliği Genç Bilim İnsanları Yarışması’na katılacaklarını sözlerine ekledi.

sodyum-pentaborat3

Polimer Matrisli Nanokompozitler

Polimer matrisli nanokompozitler ticari olarak çeşitli uygulamalar için üretilir. (örneğin uzay parçaları, otomobil, spor ürünleri, vb.) Son 20 yılda, polimer nanokompozitlerin gelişiminde önemli bir artış olmuştur. 1980’lerin başında taramalı tünel mikroskobu ve taramalı prob mikroskobunun keşfiyle, nanoteknoloji alanında nanoboyutta çalışmak kolaylaştı. Bilim adamları yüzey yapısını atomik boyutta görebilir hale geldi. Aynı zamanda bilgisayar teknolojisinde gelişmeler nanoboyutta karakterizasyon ve modelleme ile özellik tahminini kolaylaştırdı. Nanomalzemelerin karakterlerinin eşsiz kombinasyonu (mekanik özellikler vb.) bir çok ilginç alanlar üretti. Ayrıca, birçok nanokompozit polimer geleneksel polimer kompozit üretim tekniklerine benzemesi nanokompozitleri daha çekici kılmaktadır.

Nanokompozitler, iki veya daha fazla malzemenin en az birinin nano boyutta olmak şartı ile bir araya getirilmesidir. Nanoboyut bilimi ve teknolojisi araştırmaları atomik boyut karakterizasyonu ve modellemesinin kombinasyonu ile yürütülebilir.

Mikro partiküllerden nano partiküllere geçişte mekanik özelliklerde önemli ölçüde değişmeler vardır. Nanoboyuttaki malzemeler geniş yüzey alanına sahiptir. Nanoyapılı malzemeler mikroyapılı malzemeler ile aynı kompoziyonda olsa bile farklı özellikler gösterebilir. Bunun  nedeni kimyasal ve fiziksel özelliklerin yüzey veya yüzey özellikleri tarafından kontrol edilmesidir. Birim hacmin yüzey alanı, malzeme çapıyla ters orantılıdır. Malzeme çapı küçüldükçe birim hacim yüzey alanı artar. Yaygın kullanılan partikül geometrileri ve  yüzey alanı hacim oranları Şekil 1’de verilmiştir.

partikuller

Şekil 1: Yaygın kullanılan takviye elamanları ve yüzey/hacim oranları

Genellikle, nanomalzemeler yüksek çap/boy oranı sayesinde yüksek takviyeleme verimi sağlarlar. Nanokompozitlerin özellikleri, takviye fazın büyüklük oranı ve iki faz arasındaki karışıma derecesinden büyük ölçüde etkilenir. Kullanılan takviye elemanının cinsine ve üretim yöntemine bağlı olarak kompozitin özelliklerinde önemli farklar elde edilebilir. Örneğin Şekil 2, Tabakalı nanokompozitlerin 3 ana yapısını göstermektedir. Polimer silikat tabakaları arasına giremezse, özellikler mikrokompozitlere benzer olarak kalır. Intercalated yapılarda, polimer zincirler silikatlar arasına girer. Düzenli ve çok tabakalı bir yapı meydana gelir. Eğer silika tabakaları tamamen ve düzenli olarak dağılırsa, exfoliated yapısı elde edilir. Bu yapılar önemli ölçüde farklı özellikler gösterir.

polimer-nanokompozit-yapilar

Şekil 2: Polimer matristeki oluşan 3 tip tabakalı silika yapısı

Fiber veya parçacık takviyeli nanokompozitlerde nano partiküllerin dağılması ve partikül-matris arayüzeyine tutunması (adezyon) mekanik özelliklerin belirlenmesinde önemli rol oynar. İyi bir dispersiyon sağlanmadan mekanik özelliklerde artış beklenmemez, aksine mekanik özellikleri düşürebilir. İyi bir adezyon ise kayma mukavemetini, katman ayrılması, yorulma ve korozyon direnci gibi özellikleri artırabilir.

Nanokompozit araştırmaları elektronik ve bilgisayar, veri depolama, iletişim, uzay ve uçak, sağlık, enerji, çevre ve spor malzemeleri gibi bir çok alanı kapsamaktadır.

ÖZELLİKLERİ, ÜRETİMİ VE UYGULAMALARI

1990’ların başında Toyota araştırmacıları naylon6-kil termoplastik nanokompozit teknolojisini temel alarak çalıştıklarını duyurdular. Çalışmalarında, %4,2 kil takviyesi ile mekanik özelliklerde önemli artışlar görüldü. Elastisite modülü iki katına, mukavemet %50’den fazlasına çıkarıldı. Isıl çarpılma sıcaklığında artış görüldü. Boeing firmasına göre nanokompozitler, uzun menzil uçuşlarında ve taşıma kapasitesinde önemli artışların sağlanmasında önemli rol oynacaktır. Koo ve Pilate yüksek sıcaklık uygulamarı için siyanat ester, epoksi ve fenolik naylonun kullanılmasını keşfettiler.

nanokompozit-otomotiv

Şekil: Nanokompozitlerin otomotiv uygulamaları a) Basamak: İlk ticari uygualama b) impala: 2. ticari uygulama

Polimer nanokompozitlerin otomobillerde kullanılan ilk örneği naylon6-kil nanokompozitlerin triger kayışı kapağında kullanılmasıdır. Chevrolet Impala, poliefin nanokompozitlerden kapı geliştirmiştir. Bundan sonra GMC Safari ve Chevrolet Astra modellerinde poliefin nanokompozitler basamak olarak kullanıldı.[7] Honda Acura modelinde ise PP-kil nanokompozitler koltuk parçalarında kullanıldı.

Naylon-6 polimeri içinde dağılmış organik modifiyeli killer boyutsal kararlılık ve bariyer özelliklerini önemli ölçüde artırır. Bariyer özelliği iceçek uygulamalarında önemli rol oynamaktadır. Kil tabakaları iyi bir biçimde dağıldığında difüzyon için gerekli yol uzunluğu artacak ve dolambaçlı hale gelecektir. Yolun uzaması ve dolambaçlı hale gelmesi gaz ve nem geçirgenliğini düşürmektedir.

Uzay uygulamaları için yüksek tokluk, sıcaklık (-196 C°- 125 C°), boyutsal kararlılık kritik önem taşır. Timmerman ve arkadaşları[10], dondurucu tanklar için nanokili fiber/epoksi takviyeli kompozitlerde kullanmış, mikro çatlaklar ve ısıl döngülerden kaçınıldığı için mekanik ve termal özelliklerinde artış görülmüştür.

Malzemelerde Noktasal Kusurlar

Tek kristaller genellikle hatasızdır. Ancak malzemelerin çoğu çok sayıda kristal  veya tanelerden oluşur.  Bu yapılar çok nadir kusursuzdur. Yapıdaki bu kusurlar mukavemet ve elektrik iletkenliği değerlerini büyük ölçüde etkiler.

Noktasal Kusurlar 5 madde altında incelenebilir.

  • Boş kafes noktası
  • Arayer
  • Yer alan
  • Frenkel
  • Schottky

1. Boş nokta hatası:  Atomun bulunması gereken yerde bulunmamasından kaynaklanır. Boşluğu çevreleyen atomlar birbirine yaklaşarak kafes yapısının çarpılmasına neden olur.boş nokta hatası

2. Ara Yer Hatası: Yarı çapları 1 Armstrong’dan daha küçük H, N, B, O ve C atolarının ana metalin atomları arasına girmesiyle oluşur. Arayer atomları kendilerini çevreleyen atomları iterek kafes yapısını çarpıtabilir.

arayer-hatasi

3. Yer Alan Hatası: Katı çözelti içerisindeki çözünen atomların çözen atomların yerini almasıyla meydana gelir.  Yer alan katı çözeltisinin oluşması için çözen ve çözünen atomların boyutları birbirine yakın olması gerekir. Çözünen atom ana metal atomundan büyük veya küçük olabilir.

yer alan hatası

a) yer alan: küçük atom  b) yer alan: büyük atom

4. Frenkel Hatası: Bir iyonun normal kafes konumundan bir arayer konumuna atlaması ile boş kafes noktası – arayer atomu çifti olup radyasyona maruz kalan metallerde görülür.
frenkel-hatasi

5. Schottky Hatası: İyonik bağla bağlı malzemelerde boş nokta çifti olarak görülür. Malzemelerde eşit elektriksel yükün korunması için kafesten bir anyon ve bir katyon ayrılır.
schottky-hatasi

Radyasyondan Koruyucu Kumaş

Işıklar Askeri Hava Lisesi öğrencileri “Milli Kalkan Sodyum Pentaborat” projesi kapsamında radyasyondan koruyan kumaş geliştirdi.

radyasyon-koruyucu-kumas

Bursa’da, Işıklar Askeri Hava Lisesinde bir grup öğrenci tarafından “Milli Kalkan Sodyum Pentaborat” adlı proje çerçevesinde, radyasyondan korunmaya yönelik kumaş geliştirildi.

Okulun son sınıf öğrencilerinden Tahsin Elmas, AA muhabirine yaptığı açıklamada, arkadaşları Seyit Alp Herdem ve Yaşar Harun Kıvrıl ile 1,5 yıl önce proje belirleme çalışmaları sırasında Türkiye’de kimyasal, biyolojik ve radyoaktif saldırılara karşı kullanılan koruyucu kıyafetleri incelediklerini ve bunların ithal edildiğini öğrendiklerini söyledi.

Bu kıyafetler için her yıl yurt dışına milyonlarca doların aktarıldığını gördüklerini vurgulayan Elmas, “Bunun üzerine, ‘Bir milli koruyucu kıyafet üretebilir miyiz’ fikriyle yola çıktık ve Hava Öğretmen Binbaşı Mustafa Şevik danışmanlığında proje çalışmalarına başladık” dedi.

Elmas, radyasyonun 21’inci yüzyılın en büyük sorunlarından biri olduğunu, bu nedenle buna çözüm bulmak için iyi bir çalışma dönemi geçirdiklerini anlattı. Türkiye’nin, dünyadaki bor rezervinin yüzde 72’ine sahip olduğunu dile getiren Elmas, “Boru sentezleyemediğimizden, özel bor türevi haline getiremediğimizden dolayı bu milli varlığımız heba olmakta. Hem kendi varlığımızı koruyup hem de bunu radyasyonda kullanmayı amaçladık” diye konuştu.

Özel bir bor türevi olan sodyum pentaboratı ülkede ilk defa sentezlediklerini anlatan Elmas, şunları kaydetti: 

“Sodyum pentaborat kullanarak bir koruyucu kıyafet üretimi gerçekleştirdik. Ürettiğimiz kumaşı radyasyontestlerine tabi tuttuk. Test sonucunda, ürettiğimiz kumaşın yüzde 75 gibi oldukça yüksek bir oranda radyasyonu önlediğini fark ettik. Ayrıca gama testi neticesinde sodyum pentaborat miktarının artışına paralel bir şekilde kumaşın arkasına geçen gama radyasyonunun azaldığını fark ettik. 3 farklı enerjide de bu teyit edildi. Ayrıca ‘x’ ışını testinde de sodyum pentaboratla aynı değere sahip kurşun eş değeri belirlendi ve sodyum pentaboratın kurşuna göre 2,5 kat hafif olduğu ortaya konuldu. Bu neden önemli; şu anda günümüzde kurşun koruyucular kullanılmakta. Kurşun koruyucular oldukça ağır olduğundan dolayı hareketleri kısıtlamakta ve iş verimini düşürmekte. Yaptığımız sodyum pentaborat kumaş 5 kilogram ağırlığında olduğu için hem hareket kısıtlamasını önlüyor hem de iş verimini artırıyor. Bu kapsamda bu kumaşların ülkemizde her yerde kullanabileceğini düşünüyorum.”

Işıklar öğrencilerinin projesi ABD yolunda

Projenin geçen sene Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından gerçekleştirilen okullar arası yarışmada kimya kategorisinde Türkiye birincisi seçildiğini, ayrıca yarışmanın en prestijli ödülü olan “Yılın Genç Araştırmacıları Ödülü”nü kazandıklarını ifade eden Elmas, mayısta ABD’de gerçekleştirilecek “Dünya Liselerarası Proje Yarışması”nda ülkeyi temsil edecekleri bilgisini verdi.

Elmas, elde ettikleri kumaşın özellikle hastane, nükleer santral, üniversitelerde radyasyon deneyi yapılan laboratuvarlarda ve askeri alanlarda nükleer saldırılara karşı korunmaya yönelik olarak kullanılabileceğini bildirdi.

Kumaşın ardından “kanopi”de de yarar sağladı

Kıvrıl ise projenin tüm insanlığı ilgilendiren ölçekte olduğunu vurguladı.

Pilotların, yüksek irtifada uçtukları için uzaydan gelen kozmik radyasyonlara maruz kaldığını ve onların pek çoğunun ölüm nedenlerinin başında kanserin geldiğini bildiren Kıvrıl, sözlerini şöyle sürdürdü:

“Pilotların radyasyona maruz kalmasına engel olmak istedik. Bunun için de pilotların oturduğu yerin üst kısmındaki camı yani ‘kanopi’ dediğimiz kısmı sodyum pentaboratla kapladık. Daha sonra da bu kanopinin yapıldığı malzemenin içine sodyum pentaborat ekleyerek üretim çalışmaları gerçekleştirdik. Bunun ardından radyasyon testlerini yaptık. Ürettiğimiz kanopinin, gelen radyasyonların yüzde 49’unu, kapladığımız kanopinin ise yüzde 12’sini durdurduğunu gördük. Ayrıca ürettiğimiz kanopi örnekleri sadece bir santimetre kalınlığında ama normal uçaklarda kullanılan kanopiler 3 santimetre kalınlığında. Bunun kalınlığı arttığında engelleme miktarının daha da aratacağını düşünüyoruz. Bu konuda da çalışmalarımızı sürdürüyoruz.”

Cam ve Cam Seramikleri

Camlar aşırı soğumuş sıvı olarak nitelenirler, çünkü kristal değillerdir. Camlar sertliği, saydam oluşu ve kimyasal dayanımı ile önem taşır. Reaktif ve dispersif özellikleri, basma ve çekmeye karşı dayanımları ve genleşme katsayısı da bu özellikleri iyileştirir.

Çoğunlukla alkali ve toprak alkali silikatlardan elde edilen, bazen borat, alümina ve az miktarda başka bileşikler de katılan kompleks karışımlardır. Hammaddeler karıştırılarak eritilir, ısıtılarak yumuşatılır ve biçimlendirilir ve tekrar soğutulduklarında ise billurlaşmazlar.

Cam üretiminde silika (saf kuvars), soda (teknik saf Na2CO3) ve kireç [ (kalsiyum oksit (kireçtaşı (CaCO3)), kalsiyumlu feldispat (CaAl2Si2O8) ya da dolomit (CaCO3-MgCO3)`ten yararlanılır] temel hammaddelerdir. SiO2-NaO faz diyagramı temel alınarak üretim planlanır. Hammaddeler içinde bulunan demir ve krom cama renk verdiğinden belli değerler altında kalmalıdır

Cama çoğunlukla katılan bir dördüncü bileşen bor oksit (B2O3)`tir. Bu bileşen camın ısıl genleşme katsayısını düşürür ve çok iyi fiziksel özellikler kazandırır. Pb3O4 yapısındaki kurşun oksit ise, camın optik özelliklerini artırır. Adi camda, yaklaşık, %65 silis, %18 NaO, %18 CaO bulunur. Cama, genellikle mutlaka, yukarıda sayılanlardan başka, çeşitli nedenlerle (üretim kolaylaştırma, saflaştırma, iyileştirme, renklendirme v.b.) katkılar konur.

Bugün silisyum dioksit, kalsiyum oksit ve sodyum oksit üçlü sisteminin tanımladığı adi cam sınırları, gelişen teknoloji ile zorlanarak darbe dayanımlı, ısıya dirençli, lif yapımına uygun, mermiye dayanıklı, yüksek optik özellikler gibi daha birçok nitelikli türlerine ulaştırılmıştır.

National Geographic televizyonun çekmiş olduğu cam belgeselini izleyebilirisiniz.

Ticari camlar altı grup altında incelenebilir.

1. Kimyasal ve ısıl etkilere çok dayanıklı camlar, SiO2`nin eritilmesi ile hazırlanır. Genleşme katsayısı çok küçük ve yumuşama noktası çok yüksektir. UV ışınlarını çok iyi geçirirler. Isıl dayanıklılıkları yüksektir.
 
2. Alkali silikatlar, çözünebilen camlar olup, yapıştırma işleri için uygundur. Ateşe dayanıklı malzemeler elde etmek için, maddeler su camı ile emprenye edilir. Deterjan ve su üretiminde de kullanılır.
 
3. Soda-kireç camları; pencere camı, cam eşyalar üretiminde uygundur. Erime noktası düşüktür. Bu nedenle işlenmesi de kolaydır.
 
4. Kurşun camları, optik ve dekoratif amaçlı, silika+alkali, oksit+PbO içeren camlardır. Kırılma indislerinin yüksekliği ile ayırt edilirler.
 
5. Borosilikat camları, B2O3+SiO2 içeren camlar olup, optik, bilimsel cihazlar ile laboratuar eşyaları yapımı için uygundur. Genleşme katsayıları çok düşük, sıcaklık şokuna dayanıklı ürünlerdir.
 
6. Özel camlar; emniyet camları, renkli camlar, buzlu camlar, cam lif, ışığa duyarlı camlar, fosfat camları, kimyasal amaçlara uygun özel camlar vb.

Cam seramikler uygun bileşimdeki camların kontrolü kristalizasyonu ile üretilen çok kristalli malzemelerdir. Kontrollü kristalizasyon çekirdekleşme ve kristal büyütme aşamalarında oluşur. Aşağıda bazı cam seramik sistemleri verilmektedir

Li2O-Al2O3-SiO2 sistemi [LAS sistemi]
MgO- Al2O3-SiO2 sistemi [MAS sistemi]
Li2O-ZnO-SiO2 sistemi [LZS sistemi]
Alkali içermeyen yüksek ZnO`li sistemler