Nitinol Nedir? Bir Alaşım, Önceki Şeklini Nasıl Hatırlayabilir?

Nitinol, yaklaşık olarak eşit miktarda (%50) nikel ve titanyum içeren bir metal alaşımıdır; ancak içeriğindeki nikel oranına bağlı olarak Nitinol 55 veya Nitinol 60 gibi isimler alabilir. Oldukça yoğun streslere maruz kalabilen Nitinol, yaklaşık 1 asır öncesinde keşfedilmiştir; ne var ki potansiyeli, ancak modern teknoloji sayesinde keşfedilebilmiştir.^[1]

Alaşım Nedir?

Nitinol ve özelliklerinin sınırlarını daha iyi kavrayabilmek açısından "alaşım" kavramını açmamızda fayda var: Alaşımlar, en basit tabiriyle, bir ya da birden çok metalin kimi zaman birbirleriyle, kimi zaman da farklı elementlerle yaptığı karışımlara verilen genel addır. Bunlara hepimizin günlük hayatta çok yakından tanıdığı çelik (demir ve karbonun genellikle kütlece 98:2 gibi oranlarda birleşmesiyle elde edilen alaşım), tunç (bakır ile kalay alaşımı), pirinç (bakır ile çinko alaşımı), lehim (kalay ile kurşun alaşımı) ve amalgamlar (cıva alaşımları) gibi daha yaygın olan alaşımlardan, nitinol gibi hem üretimi daha sınırlı hem de kullanım alanları daha özelleşmiş alaşımlara kadar pek çok sayıda örnek verebiliriz.

Alaşımları günümüzde bu kadar yaygın yapan en önemli etmen, alaşımların, barındırdıkları elementlerin ayrı ayrı karşılayamadığı pek çok yeni özelliğe sahip olmalarıdır. Çelik üzerinden örnek verecek olursak: Doğada bulduğumuz saf demir, oluşturduğu kristal yapısı gereği günümüzde bir binanın desteğini oluşturan temel materyalden beklenmeyecek ölçüde yumuşak kalmaktadır. Bu durum, demirin kendi kristal yapısı içerisinde diğer demir atomları üzerinden kolayca kayabilmesinden kaynaklanmaktadır. Bu sorun, en basit biçimiyle, bu kristal yapının içerisine kaymayı önleyici "bariyer bir element" işlememizle çözülebilmektedir. Bu element, genellikle karbon elementidir. Demirin içine karıştırılan karbon sayesinde, günümüzde pek çok yapının inşaat iskeletini oluşturmaktan gemi gövdelerinin yapımına kadar hemen her alanda kullandığımız çelik ortaya çıkmaktadır.

Aralıklı ve İntermetalik Alaşımlar

Her ne kadar en nihayetinde çelik gibi bir alaşım da olsa, nitinol, çeliğe kıyasla çok daha farklı mekanizmalara ve bunlarla birlikte gelen özelliklere sahiptir. Bunları incelememiz için ilk olarak çelik gibi aralıklı (İng: "intersitial") bir alaşımla nitinol gibi inter-metalik (İng: "intermetallic") bir alaşımın farklarından bahsetmemiz faydalı olacaktır.

Çelik ilk bakışta eşit dağılmış bir karışım gibi görünse de karbon atomları çeliğin içinde düzenli bir biçimde dağılmak yerine rastgele karışmışlardır. Bu durum çeliği güçlü yapmakla birlikte, esnekliğini bir nebze yitirmesine neden olur. Öte yandan intermetalik bir alaşımda tam bir düzen, yani bu alaşımı oluşturan metallerin birlikte yepyeni bir kristal yapı oluşturma prensibi yatar. Bu durum nitinole çelikten ve diğer pek çok alaşımdan farklı olan iki özellik kazandırmaktadır.

Nitinol, Eski Şeklini Nasıl Hatırlar?

Bu özelliklerden ilki "şekil hafızası" (İng: "shape memory") etkisidir. Temelde, nitinolün oldukça büyük deformasyonlara rağmen kritik sıcaklığın üstünde bir sıcaklığa ulaştığında eski şekline geri dönmesine, bir nevi ilk şeklini "hatırlamasına" dayanmaktadır.

İlk bakışta anlaması güç gibi gelse de bu davranış temelde martensit dönüşümü (İng: "martensitic transformation") denilen basit bir ilkeye dayanmaktadır. Nitinol, kritik sıcaklığının üstündeyken ostenit (İng: Austenite) denilen basit kübik bir kristal yapıda bulunur ancak bu sıcaklığın altında martensit (İng: Matrensite) denilen eğik eksenli çok daha kompleks bir yapıya bürünür. Bu durumda deformasyona açık olan nitinol tekrardan ısıtıldığında basit ostenit yapısına geri döner ve bu esnada ilk formasyon şeklini geri kazanır. Martensit dönüşümü ise bu kristal yapının sıcaklığa bağlı olarak ostenit ve martensit arasında değişmesine verilen bilimsel addır. ^{[2], [3]}

wikimedia commons

Bu durum kendi başına da oldukça ilginçtir; ancak bu "geri dönüş" aşaması, nitinole bilimsel bir fenomenin ötesinde, pratikte tıpkı yapay bir kasmışçasına kullanım şansı sunar. Buna en basit bir örnek olarak bir boruda sıvı geçişini düzenlemekle yükümlü kendini sıvı sıcaklığına göre ayarlayan bir kapakçık demek uygun olacaktır. Nitinolün bu özelliği, aynı zamanda geleceğin robotlarında metal bir "kas" olarak kullanılma olanağı vermektedir. Bunun arkasında yatan temel etmen ise nitinolün üstün dayanıklılığı ve üretebileceği potansiyel gerilimin büyüklüğüdür.

Süperelastik Nitinol!

Nitinolün ikinci özelliği ise kritik sıcaklığın üstündeyken yani ostenit halindeyken gerçekleşir. Ostenit halinde martensit halinin aksine deformasyonu oldukça zorlaşan nitinol, "süperelastiklik" (İng: "superelasticity") kazanarak, günümüzde alışılagelen metallerden 10-30 kat daha fazla deformasyona maruz kalıp ilk şeklini halen koruyabilmektedir.

Bu nitelik, nitinole, inşaat sektöründe bir şok tamponu olarak kullanılmaktan damarlara zarar vermeyen kalp stentlerine kadar pek çok alanda kullanım sunmaktadır. Aynı şekilde üzerinde halen çalışılmakta olan "Akıllı güçlendirilmiş beton" (İng: "Intelligent Reinforced Concrete") teknolojisinin temeli de nitinolün süperelastiklik ve şekil hafızası özelliklerinin birlikte kullanılarak betonun içindeki mikro çatlaklara bakmaksızın şeklini halen koruyabilmesine dayanmaktadır.^{[4], [5]}

Sonuç

Sonuç olarak günümüzde henüz tam potansiyeline ulaşamamış olsa da nitinol tarzı "mucize materyalleri" yakın bir gelecekte çok daha sık görmemiz neredeyse kaçınılmazdır. Gerek geliştirilmiş kalp damar açıcıları (İng: "stent") gerekse endüstriyel sıvı taşınım düzenleyicilerine (İng: "actuator") kadar günümüzde pek çok alanda kullanılan bu materyalin günümüzün "akıllılaşan" dünyasında çok daha temel görevler üstleneceği neredeyse kaçınılmazdır.