Yapışma Teknolojisine Doğadan İlham: Geckolar
Tarihin derinliklerinde yapıştırma teknolojilerinin izlerini görmek mümkün. Biyolojik kaynaklı reçineler yardımıyla; av gereçleri yapılmış ve geliştirilmiş, günlük yaşam resmedilmiş ve basit tedavi yöntemleri uygulanmıştır. Yapıştırma ile birleştirmede ağaç reçineleri ve midyeler (Şekil 1); yüzey teknolojisi alanında da gecko olarak bilinen sürüngen ailesi önemli çalışmalara öncülük etmiştir.
Böcek, örümcek, kertenkele gibi birçok hayvanın gövde, ayak ve bacaklarında bulunan bağlama pedleri, çeşitli yüzeylere tutunma ve onlardan ayrılma yeteneğine sahiptir. Bu nedenle dikey duvarlarda ve tavanda dahi kolayca hareket ederler (2). Geckolar bu grup
hayvanlar arasında en ağır kütleye sahip olmalarının yanı sıra, akıllı yapışma yeteneğine sahip tırmanıcı hayvanlar arasında en gelişmiş ve en karmaşık ayak yapısına sahiptir. Bu canlılar, ayaklarında 1mm²’de 14.000 adet sıklığında yaklaşık üç milyon mikro ölçekli kıl (seta) üzerinden uzayan yaklaşık üç milyar nano ölçekli spatulaya sahiptir (3).
Gecko ayaklarında bulunan setalar, iki yüzeydeki moleküller arasında çok sayıda zayıf çekim oluşturarak askıda kalmayı sağlar. Her bir kılcalın yüzey ile yaptığı bağları oluşturmak gibi koparmak da herhangi bir yapıştırıcı veya banttan farklı olarak kolay ve hızlı olarak gerçekleşir. Bu nedenle, bu canlının sahip olduğu doğal özelliğin yüzey teknolojilerine ilham verdiğini söyleyebiliriz.
Bilim insanları; silikon, plastik, karbon nanotüp ve diğer malzemleri kullanarak gecko benzeri yapışmayı yeniden yarattılar ancak bir ölçekleme sorunu ile karşılaştılar. Teoride yapışma gücü oldukça yüksek 3-6 milyon seta yaklaşık 130 kilogramlık bir kütleyi kaldırabilir. Ancak gerçek hayatta bir gecko ön ayaklarıyla sadece 2 kilogram yük taşıyabilmektedir.
Stanford Üniversitesi araştırmacılarına göre ölçekleme sorunu yüklerin geniş yapıştırıcı alanları arasında düzgün bir şekilde dağılmaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Örneğin gecko ayak parmaklarında, setaların yalnızca bir kısmı yüzeyle yakın temas halindedir ve temas halinde olmayanlar yükü kendi aralarında eşit olarak paylaşmazlar. Araştırmacılar bunun nedeninin, gecko derisinin, tıpkı bir lastik bant gibi üzerine daha fazla kuvvet uygulandığında gerilmesi ile daha sert hale gelmesi olabileceğini öne sürmektedir.
Bir kertenkele duvara tırmandığında, setalar eşit olmayan bir şekilde gerilir ve bazılarına diğerlerinden daha fazla kuvvet uygulanır. Bu nedenle, bazı setalar yapışkanlıklarını maksimuma çıkarırken, diğerleri az kullanılır veya yüzeye hiç yapışmaz. Bu nedenle, araştırmacılar kuvvetleri daha eşit bir şekilde dağıtmaya odaklanarak, geckoda görülen prensipi baz alan bir yapıştırma sistemi geliştirme yoluna gitmişlerdir.
Bilim insanları yapay gecko yapıştırıcılarını oluşturmak için sürüngenin setalarını taklit eden silikon mikro takozlar ile işe başlamışlardır. Bunları, her biri yüz binlerce mikro dilim içeren 24 adet pul büyüklüğünde karo şeklinde birleştirmişlerdir. Ardından karolar, tendon benzeri iplerle yaylara bağlanarak sekizgen şekilli bir plakaya tutturulmuştur. Gecko derisinden farklı olarak, yaylar belirli bir eşiğin üzerine gerildikten sonra karolara aynı kuvveti uygulayarak yükleri karolar arasında eşit olarak dağıtmaktadır. Bu geliştirme çalışması, yüzeye monte edilen yamanın, bir milimetre kareden insan eline kadar olan boyutları için benzer bir yapışkanlık gücü sunmasını sağlamıştır. Tek bir karo soyulsa bile, taşıdığı ağırlık, yayların eşiği geçmediği en hafif yüklere sahip karolara aktarılır, böylece genel sistem yapışkan kalır.
Polipropilen bazlı yapay gecko yapıştırıcılarının, ilham kaynağı kabul ettiği bu canlının doğal olarak sahip olduğu yapışma özellikleri ile ilişkilendirildiği 7 parametre aşağıdaki gibidir:
1. Yönlü Bağlantı: Setalar yüzeye bastırılarak yapışmazlar, bunun yerine liflerin karşıya tutunabilmesi için yüzeye paralel bir kayma davranışı gereklidir.
2. Yüksek Ön Yük/Çekme Oranı: 0,1 Newton’dan daha az bir ön yük, lifleri birbirine bağlamak için yeterlidir ve ön yük kaldırıldıktan sonra her bir 4 Newton’luk bir kesme yükünü kaldırabilir.
3. Düşük Ayırma Kuvveti: Polipropilen bazlı gecko yapıştırıcı yönlüdür ve yüzeye paralel yönde yapışma gösterir. Ancak 0,001 Newton’dan daha az bir kuvvetle de kolayca çıkarılabilir.
4. Ayrışma: Polipropilen mikrolifler birbirine yapışmaz ve uzun yükleme/bırakma, döngüsünde bile topaklanma yapmaz.
5. Durağan Halde Yapışkan Olmayan Durum: Sentetik yapıştırıcıda kullanılan polimer olan polipropilen, neredeyse geckonun keratin yapısı kadar serttir ve yamanın yüzeyi durağan halinde yapışkan değildir.
6. Topografyadan Bağımsızlık: Zorlu yüzeylere yapışabilir.
7. Kendi Kendini Temizleme: Çalışmalar devam etmektedir.
Stanford Üniversitesi araştırmacıları Biyomimetik ve Becerikli Manipülasyon Laboratuvarı’nda FarmHand (Çiftlik Eli) adlı bir robotik sistem geliştirmişlerdir. Testlerde başarıyla taşınabilen malzemeler arasında; çiğ yumurtalar, üzüm salkımları, tabaklar, sıvı kapları, basketbol topları ve taşlama motoru dahi bulunmaktadır.
Gecko yapıştırıcıyı bu çok parmaklı, antropomorfik tutucuda kullanmak zorlu olmakla beraber, FarmHand’in parmaklarını kontrol eden tendonlara ve yapıştırıcının altındaki parmak pedlerinin tasarımına özel dikkat gösterilmesini gerektirmektedir. Geckonun ayak parmakları gibi, gecko yapıştırıcısı da mikroskobik kanatlar aracılığıyla güçlü bir tutuş sağlamaktadır. Robotik tasarımda, bu kanatlar yüzeyle tam temas halindeyken
Van der Waals kuvveti ile moleküllerin dışındaki elektronların pozisyonlarındaki ince farklılıklardan kaynaklanan zayıf bir moleküller arası kuvvet yardımıyla tutunmaktadır. Bunun sonucu olarak yapıştırıcılar güçlü bir kavrama yeteneğine sahiptir ve bunu yapmak için gereken gerçek kuvvet oldukça minimaldir. Ek olarak, kalıntı bırakmamakta ve yapışkanlık hissi vermemektedirler. Bu alanda çalışmaların başladığı ve yoğunlaştığı 2000’li yılların başında, geckoların ayaklarındaki setaların bağlanma mekanizmasının Van der Waals
kuvveti olduğu varsayılmaktaydı ve yapay uygulamalarda yukarıda belirtilen FarmHand ve StickyBot (Şekil 6) gibi örneklerde yoğunlukla bu sistem baz alındı.
2014 yılında ise Kanadalı araştırmacılar geckoların, ayak pedlerinin benzersiz fibriler özelliği sayesinde yüzeyde yürümesini sağlayan olayın temas elektriklenmesi (contact elecrtification – CE) olduğu teorisine yöneldiler. Yapışma kuvvetinin yanısıra gecko setaları ve yüzey arasında gerçekleşen elektriksel yüklerin ölçülmesi ile yüzeyde isteğe bağlı
tutunma özelliğinin temas arayüzünde kılcal Van der Waals kuvveti yerine elektriksel çift katman (electrical double layer-EDL) mekanizmasının çalıştığına yönelik ölçümler yapmışlardır. Buna göre nötr halde (Şekil 7-a) gecko ayak setaları bakır lehva üzerinde serilen polimer ince film üzerine yerleştirilir. Ayak polimer film üzerine temas ettiğinde (Şekil 7-b) setalar ile ince film arasında elektrik yükleri ayrılır. Kontak ara yüzeyinde oluşan EDL, bir elektrometre ile topraklanmış olan arka bakır levhada belirli elektrik yüklerini indükler. Temas ile ayrılan elektriksel yükler (Şekil 7-c), önce polimer ince film (di), sonra da seta (dg) derinliğine nüfuz eder.
TEFLON AF’nin (amorf floropolimer) hem Van der Waals, hem de kılcal kuvvetler oluşturma konusunda PDMS’den (poli dimetil siloksan) daha zayıf bir yeteneğe sahip olmasıyla, TEFLON AF tarafından gözlemlenen arttırılmış yapışma kuvvetlerinin geliştirilmesi, CE
güdümlü elektrostatik etkileşimlerin gecko yapışmasına kesin katkısını bir kez daha doğrulamaktadır (8).
Kaynakça
* https://www.shutterstock.com/image-photo/madagascar-day-gecko-phelsuma-madagascariensis-140581852
(1) Petrone, L., Kumar, A., Sutanto, C. et al. Mussel adhesion is dictated by time-regulated secretion and molecular conformation of mussel adhesive proteins. Nat Commun 6, 8737 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms9737
(2) https://www.science.org/content/article/gecko-inspired-adhesives-allow-people-climb-walls
(3) Bhushan B. (2016) Gecko Effect. In: Bhushan B. (eds) Encyclopedia of Nanotechnology. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-017-9780-1_378
(4) https://plastics-themag.com/With-this-polymer-we-will-soon-be-able-to-make-geckos-feet-in-the-kitchen
(5) https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_setae
(6) Kellar Autumn, Anne M. Peattie, Mechanisms of Adhesion in Geckos, Integrative and Comparative Biology, Volume 42, Issue 6, December 2002, Pages 1081–1090, https://doi.org/10.1093/icb/42.6.1081
(7) https://news.mit.edu/2009/stickybot-092509
(8) Izadi H, Stewart KME, Penlidis A. 2014 Role of contact electrification and electrostatic interactions in gecko adhesion. J. R. Soc. Interface 11 : 20140371. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0371
A. Tuğçe Onur
Malzeme ve Proses Uzman Mühendisi
Yapıştırıcı Mühendisi, EAE
Türk Havacılık ve Uzay Sanayii A.Ş.
