Malzeme bilimi ve mühendisliği nedir?

Nanotübün moleküler yapısı (Shutterstock)

Malzeme bilimi ve mühendisliği, malzemelerin çok küçükten (mikro/nano) başlayarak değişen ölçeklerde yapısını, işlevini ve bileşimini inceler. Malzeme bilimi ve mühendisliği alanı, tüm mühendislik alanlarını etkileyen biyomalzemeler, nanomalzemeler, elektronik malzemeler, polimerik malzemeler, seramikler, metaller ve bunların kompozitlerini geliştirmek ile ilgilenir, sayısal ve deneysel olarak yeni malzemeler tasarlar, geliştirir, sentezler ve üretir, diğer mühendislik bilimleriyle birlikte yeni ve yenilikçi teknolojilerin gelişmesini sağlar ve bu teknolojileri toplum yararına sunar. Kuantum mekaniğini anlayışımızdaki yeni gelişmelerle birlikte çok daha özgün uygulamaların da ilerde hayatımıza girmesine kesin gözüyle bakabiliriz.

Malzeme bilimi, temel bilimler, fizik, kimya, ve biyoloji ilkelerini kullanarak gelişmiş teknolojik malzemeler tasarlayıp üreterek, toplumsal ve çevresel sorunlara çözümler bulur. Malzeme bilimi ve malzeme mühendisliğinin, nanoteknoloji, biyoteknoloji, bilgi teknolojisi, enerji, imalat, yapay zekâ ve diğer birçok disiplinde uygulamaları vardır.

Malzeme bilimcileri, malzemelerin nasıl performans gösterdiğini ve bazen de neden başarısız olduklarını araştırır. Atom ölçeğinden milimetre ölçeğine kadar maddenin yapısını anlayarak, kimyasal elementleri benzeri görülmemiş işlevsel özelliklere sahip malzemelerle birleştirmenin yeni yollarını bulur/keşfeder. Malzeme bilimcileri, modern işleme teknikleri kullanır ve/veya işlemlerin ana ilkelerini kullanarak yeni yöntemler (eklemeli imalat, buharlaştırma, plazma ve radyasyon işleme, yapay zekâ ve bilgisayar simülasyonları vb.) geliştirir.

Yenilikçi ve karmaşık işlevler için gerekli mühendislik tasarımları, yeni malzemelerin özel olarak tasarlanması ile gerçekleşebilir. Hem nano-boyutta yapısal değişikliklerle hem katmanlı (3D) üretim teknolojileriyle hedeflenen amaca uygun özelliklerde malzemeler geliştirilip üretilebilir. Bunlara aşağıdaki uygulamaları örnek gösterebiliriz:

  • Covid-19 salgın döneminde birçok aygıtın hızlıca üç boyutlu (3B) baskı tekniği ile üretildi

Covid-19 salgın döneminde tedarik zincirlerindeki aksaklıklardan dolayı, arz-talep dengesizliklerinin çözümünde katmanlı üretim yöntemi ile kişisel koruma aygıtlarından tıbbi cihazlara kadar geniş bir yelpazedeki ihtiyaçlar için isteğe bağlı çözümler sağlandı.

3B baskı örnekleri. A. Ventilatör ve maske arasında bağlantıyı sağlayan vana[1]Longhitano, G. A., Candido, G., Ribeiro Machado, L. M., Neto, P. I., de Oliveira, M. F., Noritomi, P. Y., Mais, F. G., de Paula Souza, V. L., & Lopes da Silva, J. V. (2020). 3D-printed valves to … Devamı B. Geniz bölgesinden örnek almak için çubuk (Wyss Institute of Harvard University)[2]Wyss- designed swabs enter clinical trials for Covid19, https://media.wyss.harvard.edu/portals/hwzwlh3o/20-04-27Wyss-designedswabsenterclinicaltrialsforCOVID-19 ) C. Doktorlar için respirator[3]Çek Teknik Üniversitesi, Skoda https://cdn.skoda-storyboard.com/2020/03/HP-printed-respirator-detail-1.jpeg D. Yüze uygun tasarlanan çok kullanımlı maske[4]My face mask instructions – https://www.3dwasp.com/en/download/download-info/my-mask-3d-printed-mask-from-3d-scanning/
  • CO2 salımı düşük, daha iyi yakıt performansına sahip daha güvenli ulaşım için hafif malzemeler

Boeing 787 Dreamliner, Boeing’in yakıt açısından en verimli yolcu uçağı. Boeing 787 uçağı hacim olarak %80 kompozitten üretilmiştir. Ağırlık olarak malzeme içeriği %50 kompozit, %20 alüminyum, %15 titanyum, %10 çelik ve %5 diğerlerinden oluşmaktadır. Kanat ve kuyruk ön kenarları için alüminyum kullanılır; titanyum ağırlıklı olarak motorlarda ve bağlantı elemanlarında kullanılır, çelik ise çeşitli alanlarda kullanılır. Tüm kullanılan malzemeler malzeme bilimi ve mühendisliğinin ana çalışma konularıdır.

Şekil [5]Alemour, B., Badran, O., & Hassan, M. R. (2019). A Review of Using Conductive Composite Materials in Solving Lightening Strike and Ice Accumulation Problems in Aviation. In Journal of Aerospace … Devamınolu referanstan alınmış ve uyarlanmıştır. (CC-BY)

AB Yönetmeliği EC 443/2009, AB otomobil üreticilerinden 2015’ten itibaren CO2 salımlarının 130 g CO2/km ile uyumlu hale getirilmesi koşulunu getirdi. Bir arabanın ağırlığının 100 kg azaltılması, CO2 emisyonlarını 10 gr/km azaltır. Dolayısıyla, binek araçlarda plastik parça kullanımının ağırlıkça %20’ye çıkartılması ve kullanılan plastik parçalarda da yapılacak ağırlık azaltması önemli.

  • Binaların ve elektronik sistemlerin ışınımla pasif olarak soğutulması için gerekli boyalar ve katmanlar

Cam veya boya içerisinde kullanılan malzemelerle enerji daha verimli kullanılabilir.  Bu tür malzemelerin ısı iletkenliği sıcaklığa bağlıdır.

Organik faz değiştiren malzemeleri kimyasal yapılarına göre farklı sıcaklıklarda kristallenen ve eriyen malzemeler olarak tanımlayabiliriz. Birçok doymuş yağ asidi ve vakslar (bal mumu vs.) bu sınıftaki malzemelerdir. Bu malzemeler ısıya maruz kaldıklarında erirler ve dışarıdaki ısıyı emerler, hava soğuyunca kristallenmeye başlarlar ve aldıkları ısıyı ortama verirler. Organik faz değiştiriciler binaların duvarlarında, çatılarında, döşemelerinde ve/veya diğer kaplama malzemeleri ile birlikte kullanılırlar.

Özellilkle binaların camlarında kullanılan inorganik faz değiştiren malzemelerin ise (vanadyum oksit gibi) yüksek sıcaklıktaki kristal formları ısınmaya neden olan kızılötesi ışınların geçmesine engel olur, soğuktaki kristal yapısı ise kızılötesi ışınların geçmesine izin vererek iç ortamın ısıtılmasına katkı sağlar. 

Tüm bu malzemelerin hazırlanması ve uygulamaya geçirilmesi malzeme mühendisleri tarafından gerçekleştiriliyor.

Kışın güneş ışığını içeri alan, yazın yansıtan yapıdaki çatı malzemesi.

Kızılaltı ve yakın kızılaltı bantlarda yansıtıcı pigment kullanılarak hazırlanan siyah polimerik çatı kaplamalarında ve arabaların ön konsolunda standart ürünlere göre ışığı %64 daha fazla yansıtarak referansa göre %28 sıcaklık düşüşü sağlayabiliyor.[6]Ren, H., Hassna, O., Li, J., & Arigong, B. (2021). A patterned phase-changing vanadium dioxide film stacking with VO2 nanoparticle matrix for high performance energy-efficient smart window … Devamı

  • Savunma, tarım, gıda, sağlık uygulamaları için esnek ve etkin, sensörler (algılayıcılar)
Giyilebilir teknolojilerin temelinde piezoelektrik sensörlerin farklı formları yer alır.  (Shutterstock)

Strese maruz kaldığında elektrik üreten seramik ve polimerik piezo malzemeler, günlük yaşamda kullandığımız birçok aygıtın üretimine olanak sağladı. Giyilebilir teknolojilerde de öne çıkan bu malzemelerin kullanım alanları: Elektronik endüstrisi (MEMS); savunma sektörü; (mikro hava araçları, mikro robotlar); tüketici elektroniği (cep telefonu, elektrikli diş fırçaları); sağlık sektörü (ultrason görüntüleme, kalp pili); endüstriyel üretimler (basınç algılayıcıları, ultrason temizleyiciler, sonar aygıtları) vb.

  • Yenilenebilir enerji sistemleri ve enerji depolama cihazları için etkin elektrolitler, elektrotlar, faz değiştiren malzemeler

Mobil cihazlardan elektrik şebekesine kadar, yüksek enerji yoğunluğuna veya yüksek güç yoğunluğuna sahip enerji depolama malzemelerine olan ihtiyaç gün geçtikçe artıyor. Nanometre ölçeğindeki malzemeler, gelişmiş enerji depolaması için fırsatlar sunuyor. Bu sayede pillerin ömürleri uzadı ve verimliği arttırıldı.

  • Daha iyi tıbbi cihazlar, protezler, biyo-uyumlu implantlar
Cilt ile uyumlu piezoelektrik yama. Kaynak: MIT media lab[7]Dağdeviren, C. Conformal piezoelectric mechanical energy harvesters, Mechanically invisible human dynamos, https://conformabledecoders.media.mit.edu/project1.html

Vücudun yapay organı reddetmesi önemli bir sorun ve bugün buna çözüm olabilecek teknolojiler geliştiriliyor. Örneğin 2014’te Türkiye’de yapılan bir çalışmada canlı hücreler kullanılarak 3B biyo-yazıcı ile doku yapısı üretildi. İnsan dokularından elde edilen hücrelerinin yaşayabileceği ve 3B yazıcılarda işlenebilecek yapıda taşıyıcı polimerik jeller hazırlandı ve önceden bilgisayar ortamında tasarlanan yapıda üretildi.[8]Vücudun yapay organı reddetmesi tarih oluyor! https://gazetesu.sabanciuniv.edu/2014-02/vucudun-yapay-organi-reddetmesi-tarih-oluyor-0

Sağlık alanında başka güzel bir örnek de vücut hareketlerinden enerji elde edebilen ve vücuda entegre edilebilen cilt ile uyumlu piezoelektrik yamalar. Bu enerji toplayıcılar, kas hareketi ile enerji ürettiğinden, kalp pillerinin yerini alabilir ve yüksek maliyetli cerrahi prosedürlere alternatif olabilir. [9]Dağdeviren, C. Conformal piezoelectric mechanical energy harvesters, Mechanically invisible human dynamos, https://conformabledecoders.media.mit.edu/project1.html

  • Sürdürülebilir tarım uygulamaları için daha etkin zararlı mücadelesi, etkin gübreleme, toprak ıslahı, verim arttırıcı malzemeler  

Kontrollü pestisit salan tarım örtüleri pestisit kullanımını 100 kat azaltıyor.

Tarım sektöründe kullanılan ilaçların yalnızca %0,1’i bitkinin korunmasına yardımcı oluyor kalanı toprağa ve yeraltı sularına karışıyor (uygulama sıklığı ve uygulama yöntemlerinden kaynaklı). Bu ilaçlar seramik nanotüpler içerisine konularak uygulandıklarında çok daha az miktarlarda tüketilip daha uzun süreli koruma sağlıyor.[10]Seven, S. A., Tastan, Ö. F., Tas, C. E., Ünal, H., Ince, İ. A., & Menceloglu, Y. Z. (2019). Insecticide-releasing LLDPE films as greenhouse cover materials. In Materials Today Communications … Devamı

  • Işık dönüştürücü malzemeler ile bitki büyümesi arttırılabilir ve hızlandırılabilir
Fotosentezi ve dolayısıyla bitki büyümesini arttırabilecek malzemeler (Fotoğraf: Glenn Asakawa)[11]Light-converting material enhances plant growth, https://cen.acs.org/materials/Light-converting-material-enhances-plant/99/web/2021/06

Tarımda fotosentezi ve dolayısıyla bitki büyümesini arttırabilecek malzemeler kullanılıyor.

Kuantum parçacıklar birkaç nanometre boyutunda yarı iletken parçacıklardır ve kuantum mekaniğine bağlı olarak optik ve elektronik özellikler gösterirler.

Kuantum parçacıklar içeren malzemeler güneş ışığındaki mor ötesi ışığı klorofil sentezinde ihtiyaç duyulan görünür ışığa dönüştürüp bitkilerin büyümesini hızlandırabiliyor, üretim süresini kısaltıyor ve verim artışı sağlayabiliyor.[12]Light-converting material enhances plant growth, https://cen.acs.org/materials/Light-converting-material-enhances-plant/99/web/2021/06[13]Bitkilere yağmurlama şeklinde sulu çözelti olarak uygulanan yaprak gübresi genellikle mikro besleyiciler ve bitki gelişimini hızlandıracak besinler içeriyor. Benzer şekilde sulu çözeltide … Devamı

Pembe başlıklı kız, Osman Hamdi bey, 1904, Pera Müzesi (CC BY-SA 4.0)[14]Open Art Images, https://openartimages.com/
  • Müzelerde sanat eserlerini analiz etmeye, korumaya ve restore etmeye yardımcı olacak yeni malzeme tasarımları

Sanat tarihimizde önemli yeri olan Osman Hamdi Bey’in Sabancı Üniversitesi Sakıp Sabancı Müzesi Koleksiyonunda yer alan eserleriyle, sanatçının bunları yaparken kullandığı tekniklere dair bulgular “Görünenin Ötesinde Osman Hamdi Bey” Projesi kapsamında hasar görmüş tablolarda kullanılan malzemelerin analizleri yapılarak tamiratları orijinallerine sadık kalınarak gerçekleştirildi.

  • Yüksek sıcaklık ve dayanıma sahip seramik kaplamalar
Seramik kaplama (Wikimedia Commons)

Yüksek basınç ve sıcaklıklara dayanımı yüksek olan malzemeler arasında en başta seramikler gelir.

Malzemelerin yüzeyini güçlendirmek ve çizilmesini engellemek için geliştirilen seramik kaplamalar üzerine çalışmalar hızla devam ediyor. Kaplamaların yüzeye iyi yapışması uzun süreli yarar sağlaması açısından önem taşıyor ve malzeme mühendisleri kaplama süreçlerinin geliştirilmesinde görev alıyor.

Gelecekteki uygulamalar 

İklim krizi, hızlı nüfus artışı, kaynakların tükenmesi gibi zorluklarla başa çıkabilmek için yepyeni mühendislik çözümlerine ihtiyaç var.

Hem Birleşmiş Milletlerin 2030’a kadar gerçekleştirmeyi planladığı 17 sürdürülebilir kalkınma hedefi, hem de AB’nin yayınladığı ve 2050’ye kadar sera gazı salımının sıfıra çekilmesini hedefleyen Yeşil Mutabakat çağrısı bize önümüzdeki on yıllarda bilim ve teknolojinin gideceği yön hakkında ipuçları veriyor. [15]Transforming our World: 2030 Agenda for Sustainable Development, https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/21252030%20Agenda%20for%20Sustainable%20Development%20web.pdf[16]A European Green Deal, https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en

Bu çalışmalar ile dünya genelinde ekonomik büyümelerin sürdürülebilir sistemlerle sağlanması, kaynak açısından verimli ve rekabetçi ekonomiye sahip adil ve müreffeh toplumların inşası amaçlanıyor. Yeşil mutabakat kapsamında alternatif enerji kaynakları, yenilenebilir hammadde kaynakları, kullanım ömrünü tamamlayan ürünlerden yeni ürünlerin hazırlanması (ileri dönüşüm) gibi konulardaki çalışmalar da hızlanıyor. Bu hedefler birçok sanayi üretimini etkilemekle beraber malzeme bilimi ve mühendislerine fırsatlar sunuyor ve diğer temel ve mühendislik bilimleriyle birlikte disiplinler arası çalışmaların özünde yer almalarını sağlıyor.[17]Engineering a better world, Royal Academy of Engineering, https://www.raeng.org.uk/publications/other/engineering-a-better-world-brochure

Sonuç olarak, malzeme mühendisliği yalnızca metal ve seramikler ile ilgili değil; aksine, malzeme bilimi ve mühendisliğinin son derece geniş uygulama alanlarını kapsıyor. Malzeme biliminin, geleceği dönüştürücü/yönlendirici etkisi olacak. Bu bağlamda malzeme bilimi ve mühendisliği öğreniminin uluslararası bir kariyerin öncüsü olduğu rahatlıkla söylenebilir.

Malzeme mühendisleri nerelerde çalışır?

Malzeme mühendisleri, imalat sektöründe faaliyet gösteren tüm sanayilerde tasarım, malzeme seçimi ve üretim aşamalarında istihdam edilirler. Günümüzde malzeme mühendisleri makine imalat, otomotiv ve yan sanayi, plastik işleme, ambalaj sanayii, savunma sanayi, metal eşya, kâğıt ürünleri, tekstil sanayinde görev yapıyorlar.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği mezunları, kurumların Ar-Ge organizasyonlarında mühendislik ve temel bilim Ar-Ge çalışmalarına katkı sağlamak üzere istihdam ediliyor. Günümüzde sanayi kuruluşlarının gündeminde olan yeşil mutabakat, karbondioksit nötr, endüstri 4.0 adaptasyonu kapsamında var olan çalışma imkanlarının da önümüzdeki yıllarda artacağı öngörülebilir.

Gelecekte de nano-boyut çalışmalarıyla ve kuantum mekaniği uygulamalarıyla malzeme biliminin daha da önem kazanacağı bekleniyor.

Yusuf Z. Menceloğlu (Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi)
M. Pınar Mengüç (Bilim Akademisi üyesi, Özyeğin Üniversitesi, Enerji Çevre ve Ekonomi Merkezi Direktörü)

Notlar/Kaynaklar

Notlar/Kaynaklar
1 Longhitano, G. A., Candido, G., Ribeiro Machado, L. M., Neto, P. I., de Oliveira, M. F., Noritomi, P. Y., Mais, F. G., de Paula Souza, V. L., & Lopes da Silva, J. V. (2020). 3D-printed valves to assist noninvasive ventilation procedures during the COVID-19 pandemic: a case study. In Journal of 3D Printing in Medicine (Vol. 4, Issue 4, pp. 193–202). Future Medicine Ltd. https://doi.org/10.2217/3dp-2020-0017
2 Wyss- designed swabs enter clinical trials for Covid19, https://media.wyss.harvard.edu/portals/hwzwlh3o/20-04-27Wyss-designedswabsenterclinicaltrialsforCOVID-19
3 Çek Teknik Üniversitesi, Skoda https://cdn.skoda-storyboard.com/2020/03/HP-printed-respirator-detail-1.jpeg
4 My face mask instructions – https://www.3dwasp.com/en/download/download-info/my-mask-3d-printed-mask-from-3d-scanning/
5 Alemour, B., Badran, O., & Hassan, M. R. (2019). A Review of Using Conductive Composite Materials in Solving Lightening Strike and Ice Accumulation Problems in Aviation. In Journal of Aerospace Technology and Management. FapUNIFESP (SciELO). https://doi.org/10.5028/jatm.v11.1022
6 Ren, H., Hassna, O., Li, J., & Arigong, B. (2021). A patterned phase-changing vanadium dioxide film stacking with VO2 nanoparticle matrix for high performance energy-efficient smart window applications. In Applied Physics Letters (Vol. 118, Issue 5, p. 051901). AIP Publishing. https://doi.org/10.1063/5.0038969
7, 9 Dağdeviren, C. Conformal piezoelectric mechanical energy harvesters, Mechanically invisible human dynamos, https://conformabledecoders.media.mit.edu/project1.html
8 Vücudun yapay organı reddetmesi tarih oluyor! https://gazetesu.sabanciuniv.edu/2014-02/vucudun-yapay-organi-reddetmesi-tarih-oluyor-0
10 Seven, S. A., Tastan, Ö. F., Tas, C. E., Ünal, H., Ince, İ. A., & Menceloglu, Y. Z. (2019). Insecticide-releasing LLDPE films as greenhouse cover materials. In Materials Today Communications (Vol. 19, pp. 170–176). Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2019.01.015
11, 12 Light-converting material enhances plant growth, https://cen.acs.org/materials/Light-converting-material-enhances-plant/99/web/2021/06
13 Bitkilere yağmurlama şeklinde sulu çözelti olarak uygulanan yaprak gübresi genellikle mikro besleyiciler ve bitki gelişimini hızlandıracak besinler içeriyor. Benzer şekilde sulu çözeltide fotosentez verimini arttıracak nanoparçacıkların da uygulanması ve verimi arttırmak gündemde olan çalışmalar.
14 Open Art Images, https://openartimages.com/
15 Transforming our World: 2030 Agenda for Sustainable Development, https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/21252030%20Agenda%20for%20Sustainable%20Development%20web.pdf
16 A European Green Deal, https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
17 Engineering a better world, Royal Academy of Engineering, https://www.raeng.org.uk/publications/other/engineering-a-better-world-brochure