Bilim ve mühendislikte yeniliğin bir çırpıda gelmesi alışılmadık bir durum. Bu daha çok olağanüstü olanın yavaş yavaş sıradan hale geldiği zahmetli bir çabadır.
Ancak mekanik özellikleri doğada daha önce görülen hiçbir şeye benzemeyen, aynı zamanda mekanik metamalzemeler olarak da bilinen mühendislik yapıları söz konusu olduğunda bu yolda bir dönüm noktasında olabiliriz. Michigan Üniversitesi ve Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı’ndaki (AFRL) araştırmacıların liderliğindeki bir ekip, titreşimleri engellemek için karmaşık yapılarını kullanabilen karmaşık tüplerin 3 boyutlu olarak nasıl basılacağını gösterdi.
Bu tür yapılar, ulaşım, inşaat mühendisliği ve daha fazlası dahil olmak üzere insanların titreşimleri azaltmak istediği çeşitli uygulamalarda faydalı olabilir. Ekibin dergide yayınlanan yeni çalışması Uygulanan Fiziksel İncelemebir uçtan diğer uca hareket etmeye çalışan titreşimleri pasif olarak engelleyen yapılar oluşturmak için onlarca yıllık teorik ve hesaplamalı araştırmalara dayanıyor.
AFRL’de araştırma görevlisi James McInerney, “Gerçek yenilik de burada. Şunu fark ettik: Bunları gerçekten yapabiliriz” dedi. McInerney daha önce UM’de, aynı zamanda yeni çalışmanın da yazarı olan fizik profesörü Xiaoming Mao ile birlikte çalışan doktora sonrası araştırmacıydı.
McInerney, “Bunların iyi amaçlar için uygulanabileceği konusunda iyimseriz. Bu durumda, titreşim yalıtımı söz konusudur” dedi.
UM makine mühendisliği doçenti Serife Tol, Teksas Üniversitesi’nden Othman Oudghiri-Idrissi ve AFRL’den Carson Willey ve Abigail Juhl gibi çalışmaya katkıda bulundu.
Mao, “Yüzyıllar boyunca insanlar, kimyalarını değiştirerek malzemeleri geliştirdiler. Çalışmalarımız, kimyadan ziyade geometrinin alışılmadık ve kullanışlı özelliklere yol açtığı metamalzemeler alanına dayanıyor” dedi. “Bu geometrik ilkeler nano ölçekten makro ölçeğe kadar uygulanabilir ve bize olağanüstü sağlamlık kazandırabilir.”
Yapısal temeller
McInerney, yeni çalışmanın eski usul yapı mühendisliği, nispeten yeni fizik ve 3D baskı gibi giderek etkileyici hale gelen ileri imalat teknolojilerinin bir karışımı olduğunu söyledi.
“Malzemeleri sıfırdan çılgın bir hassasiyetle üretebileceğimize dair gerçek bir olasılık var” dedi. “Vizyonumuz, çok özel mimariye sahip malzemeler yaratabilmemizdir ve sorduğumuz soru şu: “Bununla ne yapabiliriz? Alıştığımızdan farklı yeni malzemeleri nasıl yaratabiliriz?'”
Ancak Mao’nun dediği gibi ekip, malzemelerin kimyası veya moleküler bileşimi ile uğraşmıyor. Araştırmacılar, yeni ve faydalı özellikler ortaya çıkarmak için rastgele bir yapı malzemesinin şeklinin hassas kontrolünü nasıl kullanabileceklerini araştırıyorlar.
Örneğin insan kemikleri ve plankton “kabukları” doğada bu stratejiden yararlanır. Yapıldıkları maddelerden beklediğinizden daha fazlasını elde etmek için karmaşık geometrilerle inşa edilmişlerdir. Araştırmacılar artık 3D baskı gibi araçlarla bu stratejiyi metallere, polimerlere ve diğer malzemelere uygulayarak daha önce elde edilemeyen aranan özellikleri tasarlayabiliyorlar.
McInerney, “Amaç, çelik ve plastiği değiştirmek değil, onları daha etkili kullanmaktır” dedi.
Yeni okul eski okulla buluşuyor
Bu çalışma modern yeniliklere dayansa da önemli tarihsel temellere de sahiptir. Birincisi, 19. yüzyılın ünlü fizikçisi James Clerk Maxwell’in çalışması var. McInerney, en çok elektromanyetizma ve termodinamik alanındaki çalışmalarıyla bilinmesine rağmen, aynı zamanda mekanikle de ilgilendiğini ve Maxwell kafesleri adı verilen tekrarlanan alt birimlerle kararlı yapılar oluşturmak için yararlı tasarım düşünceleri geliştirdiğini söyledi.
Yeni çalışmanın ardındaki bir diğer anahtar kavram, 20. yüzyılın ikinci yarısında fizikçilerin, malzemelerin kenarlarına ve sınırlarına yakın yerlerde ilginç ve kafa karıştırıcı davranışların ortaya çıktığını keşfetmesiyle ortaya çıktı. Bu, topoloji olarak bilinen ve halen oldukça aktif olan ve bu davranışları açıklamaya ve gerçek dünyada onlardan yararlanmaya yardımcı olmaya çalışan yeni bir çalışma alanının ortaya çıkmasına yol açtı.
McInerney, “Yaklaşık on yıl önce, Maxwell kafeslerinin topolojik bir aşama sergileyebileceğini ortaya çıkaran ufuk açıcı bir yayın vardı” dedi.
Son birkaç yıldır McInerney ve meslektaşları bu çalışmanın titreşim yalıtımıyla ilgili sonuçlarını araştırdılar. Ekip, bu davranışı ve onu sergileyecek gerçek bir nesnenin nasıl tasarlanacağını açıklayan bir model oluşturdu. Ekip artık bu tür nesneleri 3D baskılı naylonla yaparak modelinin şimdiye kadarki en ileri aşamada olduğunu kanıtladı.
Yapılara üstünkörü bir bakış, onları daha önce yapmanın neden bu kadar zor olduğunu ortaya koyuyor. Bunlar, birbirine bağlı bir iç ve dış katmana sahip bir tüp şeklinde katlanmış ve sarılmış bir zincir bağlantılı çite benziyorlar. Fizikçiler, benzer desenlerin kullanıldığı geleneksel Japon sepet dokumalarına atıfta bulunarak bunlara kagome tüpleri adını veriyorlar.
Ancak McInerney, bunun bu tür yapıların potansiyelinin farkına varılmasında sadece ilk adım olduğunu söyledi. Örneğin çalışma aynı zamanda bir yapının titreşimleri bastırma konusunda ne kadar iyiyse, o kadar az ağırlığı destekleyebileceğini de gösterdi. Bunun, uygulamalar açısından maliyetli, hatta potansiyel olarak kabul edilemez bir ödünleşim olduğunu, ancak temel düzeyde kalan ilginç fırsatların ve soruların altını çizdiğini söyledi.
Bu tür yeni yapılar yapıldıkça, bilim insanları ve mühendislerin bunları test etmek, karakterize etmek ve değerlendirmek için yeni standartlar ve yaklaşımlar geliştirmeleri gerekecek ki bu da McInerney’i heyecanlandıran bir zorluk.
“Böyle yeni davranışlarımız olduğu için hâlâ sadece modelleri değil, onları test etme şeklimizi, testlerden çıkaracağımız sonuçları ve bu sonuçları tasarım sürecine nasıl uygulayacağımızı da ortaya çıkarıyoruz” dedi. “Uygulamalarla ilgili soruları yanıtlamaya başlamadan önce bunların dürüstçe yanıtlanması gereken sorular olduğunu düşünüyorum.”
