Hem mutfaklarında hem de laboratuvarlarında yıllarca süren deneme yanılma sürecinden sonra, İngiliz malzeme bilimcileri ve tutkulu snowboardcular; Richard Palmer ve Philip Green, 1999 yılında esnek ancak darbede sertleşen bir malzeme geliştirdiler.
Hırslı snowboardlar, tahtasında sık sık silinmelerden muzdarip olduğu birçok çarpma ve çürüklerden ve morluklardan kendini korumanın bir yolunu arıyordu. Cevabını, keşfedildiği laboratuvarın adını taşıyan D3O’da buldu. Şirket içerdekileri tarafından sevgiyle “süper yapışkan” olarak bilinir ve sadece bir renkte gelir, parlak turuncu.
Enerjiyi emmek ve dağıtmak için genişleyen sıvıların olağandışı özellikleri, bu buluşu çok çeşitli koruyucu uygulamalar için mükemmel hale getirdi. (d3o maddesi)
D3O®; Newton olmayan akışkanlar olarak bilinen benzersiz bir malzeme sınıfının bir örneğidir.
Bu malzemeleri normal sıvılardan bu kadar farklı kılan nedir ve neden bu kadar çok günlük üründe kullanılıyorlar?
Newtonian’a Karşı Newton Olmayan Akışkanlar
Newton olmayan sıvıları tartışmadan önce, önce “Newton” sıvısının ne anlama geldiğini inceleyelim. Diğer birçok keşfine ek olarak, Isaac Newton sıvılarla çığır açan bazı çalışmalar yaptı. Çoğu sıvının viskozitesinin sadece sıcaklıktan etkilendiğini keşfetti. Viskozite, bir sıvının akışa karşı direncini tanımlayan miktardır. Yüksek viskoziteli bir sıvı harekete direnirken, düşük viskoziteli bir sıvı kolayca akar. Şurup ve bal gibi daha viskoz maddelerin dökülmesi, su gibi daha az viskoz maddelerden daha uzun sürer. (Viskoziteyi yoğunlukla karıştırmamaya dikkat edin. Krema sütten daha kalın olsa da, krema sütün üzerinde yüzeceğinden aslında daha az yoğundur.)
“Viskozite: Akışkan malzemelerin akmaya karşı gösterdiği direnç, viskozite olarak bilinir.”
Newton, bir madde ısıtılırsa daha az viskoz hale geleceğini ve soğutulursa daha viskoz hale geleceğini gözlemledi. Aracınızı sıfırın altında bir sabah çalıştırmaya çalışırken, arabadaki yağ kalın ve durgun olduğu için motorun dönmekte zorlandığını fark edebilirsiniz. Motor ısındığında, yağ daha az viskoz hale gelir ve daha kolay akar.
Su ve yağ gibi en yaygın sıvılar Newton’dur. Bir boru veya kanaldan ne kadar hızlı akmaya zorlanırlarsa zorlansınlar viskoziteleri sabit kalır. Dolayısıyla viskozitelerini etkileyen tek faktör sıcaklıktır. Ancak bazı sıvıların viskozitesi sıcaklık dışındaki faktörlerden etkilenir. Bu sıvılara Newton olmayan sıvılar denir. Newton olmayan bir sıvının viskozitesi, teknik olarak kayma gerilmesi olarak bilinen ajitasyon veya basınç nedeniyle değişecektir. Bir kayma gerilmesi, bir Newton sıvısının viskozitesini etkilemez.
Newton olmayan akışkanlar polimerlerdir. Bir polimer, dev makromoleküller elde etmek için birbirine dizilmiş monomerler olarak bilinen tekrarlanan birimlerden oluşan uzun zincirlerden oluşur. En yaygın sentetik polimerler plastik, kauçuk ve polyester gibi kumaşlardır. Spandex. TM Doğal polimerler arasında DNA, proteinler ve nişasta bulunur.
Azalan Viskozite
Ketçapı düşünün. Dışarı çıkması için şişenin dibine dokunmanız veya sallamanız gerekebilir. Bunu yaparken, ketçap’a daha az viskoz hale gelmesine neden olan bir kesme gerilimi uyguluyorsunuz. Çalkalandığında veya karıştırıldığında daha az viskoz hale gelen sıvılar, kesme inceltici sıvılar olarak bilinir. Diğer makas inceltici sıvılar tıraş kremi, diş macunu ve boyadır. Tıraş kremini elleriniz arasına sürerseniz viskozitesi azaldıkça incelir ve akıcı hale gelir.
Bir dahaki sefere dişlerinizi fırçaladığınızda, elektrikli bir diş fırçası kullanırsanız, kıllar dönerken, diş macununu çalkalarken, diş macununun büküldüğünü ve aktığını ve daha az viskoz hale geldiğini görmeye başlayacağınızı fark edeceksiniz.
Filmlerde popüler hale getirilen bir başka kesme inceltici sıvı da bataklıktır. Bataklıkta sıkışıp kalırsanız, ne kadar çok mücadele ederseniz, o kadar hızlı batarsınız. Kaçmanıza yardım etmek yerine, etrafınızdaki tüm hırpalamalarınız bataklığı daha az viskoz hale getirerek daha hızlı batmanıza neden olur. Ama endişelenme, bataklık nadiren kafanın üzerinden batman için yeterince derindir. Ve yoğunluğu bir insanınkinin yaklaşık iki katı olduğu için, rahatlarsanız zirveye doğru yüzersiniz.
Artan Viskozite
Diğer sıvı türleri, kayma gerilmesine zıt şekilde tepki verir. Bir kesme gerilimi uygulanırsa, daha viskoz hale gelirler. Bu sıvılara kesme kalınlaşması denir. Mısır nişastası ve su karışımı, kayma kalınlaştırıcı bir sıvının mükemmel bir örneğidir. Sıkıldığında katılaşıyor gibi görünüyor. Mısır nişastası ve su karışımı ile dolu bir yüzme havuzunun yüzeyinde koşabilirsiniz. Mısır nişastası kullanan sos yaparken karıştırdığınızda daha kalınlaşır.
Kayma kalınlaştırıcı sıvılar vücudunuzda bulunabilir. Dizlerinizdeki ve dirseklerinizdeki eklemleri kaplayan sinovyal sıvı kayma kalınlaşmasıdır. Genellikle, bu sıvı eklemlerin serbest dolaşımına izin vermek için çok viskoz değildir. Ancak dizinizi veya dirseğinizi masanın keskin bir köşesine çarparsanız, sinovyal sıvı kurtarmaya gelir, anında daha viskoz hale gelir ve ekleminizi ağrılı darbeden korur.
D3O başka bir kesme kalınlaştırıcı sıvı türüdür. Yağlı tip bir sıvı yağlayıcı içinde süspanse edilmiş bir polimer maddeden oluşur. Bu karışım, dağılmış maddenin bir dağıtıcı ortamda kalıcı olarak süspanse edildiği bir karışım olan bir kolloid olarak sınıflandırılır. Diğer yaygın kolloidler arasında sis, çırpılmış krema ve süt bulunur.
Kayma kalınlaştırıcı bir sıvıya yavaşça bir gerilme uygulandığında, polimer zincirlerinin yoldan çekilmek ve kendilerini yeniden düzenlemek için zamanları olur, böylece viskozite etkilenmez. Ancak hızlı bir gerilme uygulanırsa, polimer zincirlerinin yeniden düzenlenmesi için zamanları olmaz ve viskozite büyük ölçüde arttıkça katı benzeri bir kıvam varsayılarak dolanırlar.
Bir otoparktaki bir çıkıştan hızlıca ayrılmaya çalışan birçok araba düşünün. Herkesin acelesi varsa, arabalar trafik sıkışıklığı içinde tuzağa düşecektir. Ancak trafik yavaş yavaş çıkarsa, her arabanın düzenli bir şekilde gitmesi için zaman olacaktır.
Kesme inceltici akışkanlar, kesme kalınlaştırıcı akışkanlar gibi tam tersi şekilde davranır. Ani bir gerilme, kesme kalınlaştırıcı bir sıvının anında sertleşmesine neden olurken, kesme inceltici bir sıvıyı inceltmek için daha uzun bir kuvvet gerekir. (Şekil-A’da görülebilir.)
D3o’nun Birçok Uygulaması
D3O darbe koruması sağlayabilir çünkü ani bir kayma gerilmesi uygulandığında anında daha viskoz hale gelir. En büyük kullanımlarından biri koruyucu diz ve dirsek pedleridir.
Normal durumunda, D3O kolayca akan bir sıvı gibi davranır. Bu serbest hareket aralığı, kullanıcının hareketliliğine müdahale etmediği için koruyucu donanımın giyilme olasılığını artıracaktır. Kaykay yaparken takla atarsanız ve diziniz yere çarparsa, parlak turuncu D3O macunu anında sertleşerek geleneksel diz pedlerinden daha fazla koruma sağlar.
D3O ayrıca genç sporcuların yaşadığı sarsıntıları azaltmak için kullanılır. Amerikan Pediatri Akademisi, son on yılda gençler arasında bildirilen beyin sarsıntısı sayısının iki katına çıktığını ve yılda 4 ile 5 milyon beyin sarsıntısının meydana geldiğini bildirdi.
D3O, futboldan lakrostan softbola kadar çok çeşitli spor dallarında kullanılan özel yapım kasklarda bulunabilir ve bu malzemenin kullanılmasının sarsıntı oranlarını azaltabileceği umuduyla. Günümüzde kullanılan birçok kask öncelikle yalnızca darbe koruması sağlar ve beynin kafatası içinde yan yana veya önden arkaya hareketlerine yol açabilecek ve beyin sarsıntılarına yol açabilecek dönme ivmesini önlemek için çok az şey yapar. Bu tür hareketleri azaltabilecek kasklar tasarlamak, biyomühendislik, spor hekimliği ve malzeme bilimi alanlarını içeren aktif bir araştırma alanıdır.
D3O’ nun belki de en önemli kullanımı polis memurlarının ve ordu mensuplarının hayatlarını korumaktır. Kurşun geçirmez yelekler ve diğer vücut zırhı türleri genellikle popüler değildir çünkü çok hantaldırlar ve hareketi kısıtlarlar, bu da kişinin işini zorlaştırır.
D3O kurşun geçirmez yelek ve kasklara dahil edilmiştir. Diğer maddelerle katmanlandığında daha etkilidir, mermi ve şarapnel gibi mermilerin nüfuz etmesini önleyen çok etkili bir bariyer sağlar. Bu tür bir vücut zırhı etkilenirse, kullanıcıyı koruyarak anında sertleşir.
Cep telefonunuzu düşürürseniz, paramparça bir ekran veya daha kötüsü sonuç olabilir. D3O’nun cep telefonu kılıflarına dahil edilmesi mükemmel darbe koruması sağlar. Bu vakalar, yanlarındaki parlak turuncu çizgilerle kolayca tanımlanır. Telefonunuzu çok düşürme eğilimindeyseniz, bu tür bir çözümü düşünebilirsiniz.
D3O ve benzeri Newton olmayan ürünlerin kullanım sayısı görünüşte sonsuzdur. Sizi ciddi yaralanmalardan koruyabilir ve en değerli eşyalarınızı koruyabilirler.
Kimya endüstrisinin benimsediği popüler bir slogan olan “Kimya ile Daha İyi Yaşamak.” sloganı.
İdeal Sıvı; Sıfır viskoziteye (μ = 0) sahip varsayımsal bir sıvı düşünün. Böyle bir sıvıya ideal sıvı denir ve ortaya çıkan harekete ideal veya viskoz akış. İdeal bir akışta, kaybolan viskozite nedeniyle kesme kuvveti yoktur.
Gerçekte tüm akışkanların viskozitesi vardır (μ > 0) ve bu nedenle gerçek akışkan olarak adlandırılırlar ve hareketleri viskoz akış olarak bilinir.
Viskoz akışkanların çok yüksek hızda akışının belirli durumları altında, ideal akış teorisinden katı bir yüzeyden uzakta akış alanının doğru bir analizi yapılabilir.
Newton Olmayan Akışkanlar; Kayma gerilmesi ile deformasyon hızı arasındaki doğrusal ilişkinin (paralel akıştaki hız gradyanı) ifade. Bu akışkanlar için viskozite deformasyon hızına göre değişir.
Newton’un viskozite yasasından sapmaya genellikle Newton olmayan akışkanlar olarak adlandırılırlar. Şekil B, bu ilişkinin doğrusal olmadığı akışkan sınıfını göstermektedir.
Şekil B ki apsis, ideal akışkanların davranışını temsil eder, çünkü ideal akışkanlar için kesme deformasyon hızına karşı direnç her zaman sıfırdır ve bu nedenle herhangi bir akış koşulunda sıfır kesme gerilimi sergilerler.
Ordinat, herhangi bir yükleme koşulu altında deformasyon oranı olmadığı için ideal katıyı temsil eder.
Newton akışkanları, kayma gerilmesinin hız gradyanı veya kayma gerinim hızı ile doğrusal orantılı olduğu yasasına göre davranır . Bu nedenle, bu akışkanlar için, hız gradyanına karşı kayma gerilmesinin grafiği, orijin boyunca düz bir çizgidir. Çizginin eğimi viskoziteyi belirler.
Newton olmayan akışkanlar ayrıca sözde plastik, dilatan ve Bingham plastiği olarak sınıflandırılır.
Sıvıların akış, katıların deformasyon özelliklerini tanımlayan reoloji, rheos (iş) ve logos (bilim) kelimelerinden oluşmaktadır. Genel olarak katıların deformasyonu ve sıvıların akış özelliklerini belirlemek amacıyla kullanılır. İster katı ister sıvı olsun her malzeme gerilme altında şekil değiştirir.
Newton Sıvıları
Bir Newton sıvısının viskozitesi, sabit bir sıcaklık için uygulanan kesme miktarı ne olursa olsun sabit kalır. Bu akışkanların viskozite ve kayma gerilmesi arasında doğrusal bir ilişkisi vardır.
Örnekler: Su, Mineral yağ, Benzin, Alkol
Newton Olmayan Akışkanlar
Muhtemelen Newton olmayan akışkanların Newton akışkanlarının tam tersi olduğunu tahmin edebilirsiniz. Kesme uygulandığında, sıvıya bağlı olarak Newton olmayan akışkanların viskozitesi azalır veya artar.
Sıvının Davranışı Dört Yoldan Biriyle Tanımlanabilir
1- Dilatant: Kesme uygulandığında sıvının viskozitesi artar. Örneğin: Bataklık, Mısır unu ve su, Macun
2- Psödoplastik: Psödoplastik dilatantın tam tersidir; Ne kadar çok makas uygulanırsa o kadar az viskoz hale gelir. Örneğin: Ketçap
3- Reopektik: Reopektik, kesme uygulandığında viskozitenin artması nedeniyle genişleticiye çok benzer. Buradaki fark, viskozite artışının zamana bağlı olmasıdır. Örneğin: Alçı macunu, Krema
4- Tiksotropik: Tiksotropik özelliklere sahip akışkanlar, kesme uygulandığında viskozitede azalır. Bu da zamana bağlı bir özelliktir. Örneğin: Boya, Kozmetik, Asfalt, Tutkal
Sonuç:
Ülkemizin özellikle her alanda AR-GE konusuna önem vermesi, milli bir mesele olarak önümüzde durmaktadır. Önümüzdeki yüzyıllar; teknoloji, yazılım ve malzeme bilimi elinde tutan ve bunu markalaşmaya çevirmiş ülkelerin olacağı aşikar olarak görülmektedir.
İlkokuldan başlayarak çocuklarımıza araştırma ve geliştirmenin önemini anlatacak sistemler geliştirmemizde fayda var.
Görüşmek dileğiyle…
Kaynakça:
1- D3O
https://tr.wikipedia.org/wiki/D3o
2- Şaşılacak bir şey yok! D3O
https://www.acs.org/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/2016-2017/february-2017/no-hit-wonder-d3o.html
3- d3o
https://www.d3o.com/
4- Richard Palmer ve Philip Green, Darbede sertleşen esnek zırh
https://www.epo.org/en/news-events/european-inventor-award/meet-the-finalists/richard-palmer-and-philip-green
5- 5.Newtonian ve Newtonian olmayan Akışkanların Viskozitesinin Belirlenmesi
6- Newtoncu veya Newtoncu olmayan akışkan özelliklerinin anlaşılması,
https://blog.craneengineering.net/what-are-newtonian-and-non-newtonian-fluids
