Malzemelerin, Taş Devri'nden Uzay Çağına Geçmemizi Sağlayan Evrimi
malzemeler oldukça etkileyicidir. şu an bir çoğunuzun aklına adam dövmek için levye, makyaj malzemesi hatta prezervatif geliyor ama olaya gerçek anlamda devrimsel olarak yaklaşacağım. taş devri'nden uzay devrine geçmemizi sağlayan en önemli sebep malzemelerdir.
malzeme terimsel olarak "belli özellikler taşıyan bir amaç uğruna üretilmiş ürünler" olarak bilinir. temel 5 malzeme sınıfı vardır. bunlar:
- metalik
- seramik
- polimer
- kompozit
- ileri malzemeler.
bu malzeme grupları içinde her dönem yeni bir ürünün hayatımızı değiştirdiğini görüyoruz. çoğunluğu 18. yy'dan sonra endüstriyel olarak geliştirilmiştir.
örnekler verelim
- tunç devriyle ortaya çıkan bakır ve alaşımlarından, taşıyıcı sistemlerde devrim yaratmış çeliğe,
- şimdilerde folyo diye geçiştiğimiz ama üretimi sancılı olan ve ulaştırma teknolojisinde en önemli metal olan aluminyuma,
- iletişim, optik ve elektronikte çığır açan silisyuma, hard disk üretilmesini sağlayan manyetik özellikleriyle devrim yaratan alnico'a,
- pil ve enerji korunumunda çığır açan lityum iyon pillere
- tv renk kalitesinin bütün kurallarını değiştiren 'boyut her şeydir' mottosuyla kuantum mekaniğinin canlı uygulaması olan ve kuantum noktaları üretmemize sebep olan cdse bileşiklerine
- süperiletkenlik ve hızlı trenlere değineceğim.
özellikle belirtmek isterim ki hiç bir kısım alıntı, kopyala-yapıştır değildir ve büyük bir kısmı mesleğim sebebiyle 10+ yıl tecrübeyle öğrendiklerimden oluşturulmuştur.
bazı kısımları zorunlu olarak basit bir dilde bilimsel olarak açıkladım ve "spoiler" arasına aldım. kısa geç diyenler; bu kısımları atlayabilir. her konu kendine özeldir, bu sebeple ilginizi çekmeyen başlığı isterseniz atlayarak ilerleyebilirsiniz.
1) bakır ve tunç devri
ilk üretilen metallerden biridir, kullanımın ilk görüldüğü süreç mö 8700'e dayanır, mö 4500'e gelene kadar ergitme yapılamamıştı, saflaştırma süreçleri de pek bilinmemekteydi. ilk örneklerini kıbrısta olduğunu görüyoruz. hatta yüksek bakır rezervi sebebiyle "kıbrıs", yani "cyprus" adını, romalılar tarafından "aes cyprium"(kıbrısın metali) olarak duyurmuşlardır. buradan da ingilizce cupper, yani bakır ismi doğmuştur. kısa bir süre sonra ise bronz çağı başlamıştır. tunç/bronz bakırın içine kalay katılarak üretilen, daha sert, ergime noktası daha düşük bir alaşımdır. bu da o dönem mevcut seramik kaplarda daha kolay üretilmesine olanak vermiştir. kalay eklemek dökümü de kolaylaştırır. kesici aletler bu dönem daha kolay üretilir hale gelmiştir. bronz'un kökenleri mezopotamya'ya dayanır ve anadolu'da hititler tarafından geliştirilmiştir.
tabii ki yüzyıllar geçtikten saf bakır üretmenin yollar bulunmuştur. insanlar tarafından ilk keşfedilen metaldir. çünkü kararlıdır ve kararlı metaller genellikle daha kolay üretilir. ergitmeyle kolaylıkla saflaştırılabilir fakat ağır (yoğunluğu 8,96 gr/cm^3) ve yumuşak olması sebebiyle taşıyıcı ve ulaştırma da verimsizdir. kolaylıkla şekil değiştirebilir. günümüzde yüksek iletkenliği, görsel niteliği, korozyona yüksek dayanımı ve kolay şekil verilmesi sebebiyle sıklıkla kullanılmaktadır.
2-a) demir
insanoğlu tunç devrimini gerçekleştirdikten sonra bu alaşımın yumuşak olması sebebiyle farklı arayışlara gitmiş ve benzer yöntemle mö 1500 yıllarında demir metalini üretmeyi türkiye'nin şu anda bulunduğu topraklarda başarmıştır. çeliği ilk üreten de yine tunçu geliştiren hititlerdir. tabii ki bu saf bir demir değildir. içinde yüksek oranda karbon ve safsızlık barındırır ama tunça göre çok daha sert ve dayanıklı bir üründür. metalurjinin gelişmesiyle demirin içindeki karbon atomunun ayarlanmasıyla çelik üretilmiştir. çelik devrimi özellikle taşıyıcı sistemlerin gelişmesinde mucize yaratmıştır.
ilk üretilen ürünler dökme demir olarak bilinir, yüksek oranda karbona(ağırlıkça %2-4,3 arası) sahiptir ve kırılgandır, yani yapısal uygulamalara uygun değildir. 19 yy. yapılan bir köprü bu sebeple çökmüştür. "dökme demir" sert olduğu için "dövme demir" adı verilen karbon oranı çok düşük (%0,08) yeni bir malzeme geliştirilmiştir. dövme demir; sünek (kuvvet uygulanarak plastik gibi kalıcı şekil değiştirebilen) olduğu görülmüştür. en önemli uygulaması eyfel kulesidir. kullanımı günümüzde yok denecek kadar azdır. maalesef dövme demir oldukça kolay şekilde korozyona uğrar, eyfel kulesinin de hala senelik olarak bakımları yapılamkta ve boyanmaktadır.
tarihi kısa bir bilgi olarak: 1925'de tutankhamun'a ait altın işlemeli demir esaslı bir bıçak bulunmuştur. bu bıçağın oldukça homojen olduğu ve meteoritten (göktaşı) üretildiği bilinmektedir. demir bu çağda popüler değildir (tunç devrindeyiz) ve nadiren bıçak yapımında kullanılmakta olup hala gizemini korumaktadır.
ilginçtir ki altın mö. demir veya alüminyumdan daha değersizdi...
demir ilk dönemler küçük ölçekli fırınlarda üretilmiş, endüstriye yön vermiştir, silahlar, ekin biçmede kullanılan tarım aletleri, tabii ki saldırı amaçlı üretilen dökme demir toplar hep dökme demirden yapılmaya başlanmıştır. ticaret gelişmiştir ve demir en çok kullanılan metal olmuştur.
endüstriyel devrim ise yüksek fırının keşfiyle ortaya çıkmıştır. yüksek fırın ismi üstünde 60-80 metre uzunluğunda, bir günde tonlarca demiri hiç durmaksızın üreten bir fırındır. bizde 3 farklı şehirde bulunan yüksek fırınların isimlerini vermeden olmaz.
isdemir; cemile, ayfer, dilek, gönül
erdemir; ayşe, zübeyde
kardemir; fatma, zeynep, ülkü
demir ve çeliğin tarihi
2-b) çelik ve taşıyıcı sistemlerde devrim
zamanla dövme demir yumuşak olduğu ve sürtünme sebebiyle şekil değiştirdiği için çelik geliştirilmiştir. ilk uygulamalarından biri de raylardır. ilk zamanlar dövme demirden yapıldığı için 6-8 haftada bir değiştirilmeleri gereken raylar, yüksek mukavemetli çeliklerin kullanılmasıyla aşınma olmadan uzun yıllar kullanılabilir hale gelmiştir.
çelik temel olarak karbonun ağırlık olarak %0.2-2'e ayarlanmasıyla üretilir. bilinen ilk yöntemlerden biri ısıtıp-dövmedir. zamanla endüstriyel olarak yüksek oksijenle karbonu yakan fırınlar geliştirilmiştir. (bessemer-->thomas-->bof fırınları)
çelik hem tok (kırılana kadar yüksek kuvvet gerektiren ve şekil değiştirebilen) hem de sert bir malzemedir. bu sebeple "sağlam" olarak tanımlanır. doğru iskelet tasarımıyla yüzlerce metre yapıyı sağlam şekilde taşır. bakırdan hafiftir (alaşımına göre 7,750 -8,050 gr/cm^3 arası) ve dayanımları "3 ila 10" arası daha yüksek olabilmektedir. günümüzde çelik yapılar, köprüler, betonarme yapılarda donatı olarak çelik kullanılır ve şimdilik yerine ikame edebileceğimiz bir malzeme bulunmamaktadır.
2-c) betonarme yapılar
1824'den sonra portland çimentosunun üretimiyle betonarme sistemler ortaya çıkmıştır. betonarme sistemler çelik ile betonun fiziksel karışımıdır. betonun kendi gevrek yapısıyla basınç kuvvetini üstüne alırken, çelik sünek ve tok yapısıyla çekme kuvvetini üstüne alarak sağlam, yüksek iskeleti olan yapılar yapmamıza olanak verir. tipik bir kompozit malzemedir.
beton tarihi hakkında daha fazla bilgi için
3) alüminyum ve ulaştırma devrimi
dünyada yüzeyde en çok bulunan 3. element olmasına rağmen, 19 yy'a kadar endüstriyel olarak üretilememiştir. orta çağ'da simyacıların uğraşlarıyla az miktarda üretilebilen ve altından bile pahalı bir metaldir. özellikle o dönem şovalyelerin üstünde olduğu bilinemektedir, en önemli avantajı da demirden 3, altından ise 6,5 kat hafif olmasıdır (2,7 gr/cm^3).
metal üretimin temelleri (isterseniz geçebilirsiniz)
insanoğlu metalleri keşfederken hep ihtiyacına göre arayışta bulunmuş ve benzer yöntemleri kullanmıştır. kısa cevap: ergitme. metalurjik bilgi verelim: metaller de doğada saf olarak bulunmaz, genellikle oksitli ve sülfürlü olarak bulunur. bir metal madenini ısıttığınız zaman oksijen sebebiyle sülfürü yakar (so2 ve so4 gazı üretir), ısıtırken kullandığınız kömürün içinde bulunan karbon ile de oksijeni çalarsınız (co ve co2 gazı üretir). bu işin bilimsel kısmı (proses ve termodinamik). anca yüz yıllar sonra keşfedilmiş olsa da insanlar bunu tesadüfi olarak bulmuştur. tabii o dönemde bakır, altın, kalay, demir gibi diğer metallerin de benzer metodla üretileceği varsayılmıştır ama her metalden ısıtarak ve kömür kullanarak oksijeni veya sülfürü kopartamazsınız çünkü bazıları oksijeni ve sülfürü karbona/hidrojene göre daha çok sever. buna kimyasal "affinite" denir. işte alüminyumda da bu problem mevcuttu.
ergitme ve karbonla çalınamayan oksijen için yüzyıllar boyu çalışmalar yapılıyor ancak 18. yy hall heroult tarafından endüstriyel boyutta üretim gerçekleştirilebiliyor. teorik olarak şu biliniyor: "eğer al2o3'ü sıvı içinde çözebilirsek elektrokimyasal metodla alüminyumu ayrıştırabiliriz" fakat esas sorun al2o3'ün ergime noktasının 2072 °c olması ve pratik olmaması. bu sebeple cryolite (na3alf6) denen bir kimyasal geliştiriliyor ve al2o3'ün 950°c'da ergimesi sağlanıyor. böylece serbest kalan al ve o atomları katot ve anotta toplanarak ayrışıyor. hall heroult bunun optimal akım, voltaj ve sıcaklık değerleriyle devri-daim olarak üretilmesi için gerekli reaktörleri tasarlayarak tarihe geçiyor. (bir de al2o3 üretmemizi sağlayan bayer prosesi var ki konudan çok çıkmamak için anlatmıyorum.
bu tarihten itibaren ulaştırma sektörünün kaderi değişiyor. çünkü alüminyum metali çelikten 3 kat daha hafif bir metal ve kolay şekil alabiliyor fakat alüminyumun kötü bir özelliği var o da çok yumuşak olması. bu sebeple saf kullanmak yerine magnezyum gibi metallerle alaşım yapılıyor. sonuç olarak hafif fakat sert bir ürün ortaya çıkıyor. neden devrimsel?
bilim bazen çok basittir, kinetik enerji formülüne bakalım:
e=1/2mv^2. örneğin bir uçağın yakıtı sabittir yani enerji miktarı sabittir. bu durumda kütleyi ne kadar azaltırsanız, hızdan karesi oranında verim alırsınız. bunu "ton"a (1000 kg) vurursanız ne dramatik bir farkın olduğunu görmek için bilim adamı olmanız gerekmez. uçaklar, arabalar, motorsikletler, bisikletler bu sebeple alüminyum esaslı alaşımlardan ya da kompozitlerden üretilir.
maalesef alüminyum hafif ve korozyona dayanımı olsa da tek başına çok yumuşaktır ve farklı malzemelerle sertleştirilmesi gerekmektedir. görüldüğü gibi hiçbir malzeme özel değildir, önemli olan doğru malzemeyi bularak geliştirmektir. ağır bir metali hafifletemeyebilirsiniz ama hafif bir metali mukavemetlendirebilirsiniz. işte alüminyumun devrimsel özelliği de budur.
4) silisyum ve transistör devrimi
bilin bakalım dünyada en çok bulunan 2. element (ya da 1. yarı-metal) hangisidir? evet silisyum... bu önemli element, transistör teknolojisinin ortaya çıkmasına sebep olan bir "yarı iletkendir."
4-a) yarı iletken nedir?
normalde iletken olmayan fakat sıcaklıkla veya optik uyarılmayla iletkenlik özelliği kazanan ve transistör haline getirildiğinde özel bir akım-voltaj grafiğine sahip olabilen bir malzemelerdir. metallere baktığımız zaman akım arttıkça voltajın arttığını görürüz fakat silisyumdan devre elemanı yapılırsa en basitinden diyot elde edilir ve özel bir akım-voltaj grafiği sağlar. bu sayede bilişim, iletişimde devrim yaşanmıştır. bilgiyi üretme, kolay aktarma, hesaplamalarda hatta güneş enerjisinden yararlanma da ciddi gelişmeler olmuştur.
diyot: silisyuma ayrı ayrı fosfor ve bor katarsanız - ve + yüklü n ve p olarak isimlendirilen malzemeleri elde edersiniz, bunları birleştirirseniz akımı kontrol ederseniz. bu şu demektir: negatif voltajda devre yalıtkan, pozitif voltajda ise iletken davranır, yani anahtar görevi görür. kırpma, filtreleme, yönlendirme gibi amaçlarla kullanılabilir.
ref: diyot akım voltaj grafiği
transistör: farklı konfigürasyonlarda p-n-p malzemelerini birleştirirseniz, yine anahtar gibi çalışan sinyali(akım veya gerilim) katbekat arttırabileceğiniz küçük boyutlarda bir devre elamanı üretmiş olursunuz. bunları farklı formatta birleştirir ve diğer devre elemanlarıyla birleştirirseniz ortaya işlemci (cpu) gibi özel devreler çıkar. geçmişte bu işi mikro boyutta transistörler yerine kocaman tüplü elemanlar yapmaktaydı. boyutun küçülmesi özellikle işlemcilerin gelişmesinde devrim yaratmıştır.
4-b) güneş pilleri
silisyumla üretilmiş p-n yapılarının bir diğer güzel özelliği aydınlık ve karanlık davranışıdır. aydınlık altında; silisyumun i-v (akım-voltaj) karakteri değişir, eğri tamamen alta kayar yani ışıkta optik olarak uyarılan yarı-iletken bize elektrik üretir. bu da güneş pillerinin gelişmesine sebep olmuştur. bir metale ya da yalıtkana baktığımızda bunun olmadığını görürüz.
silisyum doğada çok bulunmasına rağmen yüksek ergime noktası sebebiyle aynı alüminyum gibi zor metalik forma geçmektedir. burada elektrik fırınlarının gelişmesiyle yüksek sıcaklıklarda üretilip ardından tek kristal olması için saflaştırma işlemine tabii tutulur.
4-c) silika (silisyum-dioksit) ve optik fiberler
yine silisyum sayesinde bilginin kayıpsız aktarılmasında 2. bir devrim yaşanmıştır. şu an kullandığımız birçok teknoloji örneğin fiber-net bununla sağlanır. silisyum-dioksitin yüzeyi belli frekanslarda kayıpsız şekilde yansıtıcıdır. bir bilgiyi frekansla taşırsanız (optik olarak ışınla diyebiliriz) kayıpsız olarak istenilen noktaya ulaştırabilirsiniz. ardından bu frekans makinenin anlayacağı bir işlemden geçer ve veri ulaşmış olur. eski telgraf'ın gelişmiş versiyonu gibidir.
5) alnico ve hard disk teknolojisi (manyetik malzemeler)
elektro motorlar günümüzde bilinen manyetik kutuplanmayla enerji üretebilen mekanizmalardır. burada temel olarak elektriksel alanla manyetik alan birbirine dik olduğunu ve birbirini kontrol ettiğini bilmeniz yeterli. yani birini yükseltirseniz diğeri de yükselir ve enerjiyi dönüştürürsünüz. elektromanyetik dalga teorisi de buna dayanır. maxwell ve faraday'ın temellendirdiği konuyu daha detaylı olarak şuradan bakabilirsiniz:
ref: https://tr.wikipedia.org/…elektromanyetik_radyasyon
aynı şekilde manyetik alanla manyetik akıyı ve manyetikleşmeyi de kontrol edebiliriz. özellikle buzdolabı magnetlerini bilirsiniz. bu magnetler genellikle demir esaslıdır. biz görmesek de kutuplanmış durumdadılar ve bu, çekimi sağlar. eğer manyetik alanla elektronları bir yöne kutuplarsanız, bu bize güçlü mıknatıs etkisini oluşturur ve negatif bir alan kullanmadan bu etkiyi yok edemezsiniz. işte bu prensiple hard-diskler oluşturulmuştur. eğer 0-1'lerle oluşturduğunuz veri sinyalini dönüştürerek manyetik alana kayıt ederseniz bilgiyi korumuş olursunuz. silmek isterseniz zıt yönde bir manyetik alan oluşturmanız gerekir. tabii bunu başarmanız için kutuplanması güçlü demir esaslı malzemelere ihtiyacınız olacak. alüminyum-nikel-kobalt diye kısaltılan alnico bu amaçla üretilmiştir.
bu prensiple hdd'de bilgileri siz silseniz bile korunmaktadır. yani fbi, kgb, mit gibi kurumların eline hdd'iniz geçerse sildiğinizi sandığınız bütün porno arşivinize ulaşacaklar (hehe). tabi ters manyetik alan kullanarak hdd'inizdeki bilgileri sıfırlamak da bir diğer çözüm.
bilimsel kısım:
teoriyle elektrik enerjisi dönüşümü zaten yüz yıllardır yapılıyor fakat bunun olması için alttaki grafiğin içindeki eğriye (soft) uymamız gerekiyor, yani koersif kuvvetin düşük olması manyetikleşen bir malzemenin kolaylıkla demagnatikleşmesini veya manyetikleşmeyi sağlayan dipollerin ters tarafa yönelmesini sağlamak ilk şart. peki dıştaki (hard) grafik olursa ne olur? şekile baktığımızda manyetik alan (h) arttıkça manyetikleşmenin (m) arttığını görüyoruz ve geniş bir alan kaplıyor. eğer bilgi 0-1'lerle yazılıyorsa, siz bunu manyetik olarak koruyabilirsiniz anlamına gelir. gördüğünüz eğri negatife geçmediği sürece bilgiler silinmeyecek, hafıza yaratacaktır. burada amaç elektrik enerjisi üretmek değil, verileri korumak olacaktır.
ref: sert ve yumuşak manyetiklerin b-h grafiği
6) licoo2 esaslı şarj edilebilen hafif piller (lityum iyon pil)
20 yy. devrim niteliğinde bir diğer gelişme yine malzeme sayesinde elektrokimya sayesinde piller de olmuştur. bilmeyenler için elektrokimya ve pil kelimeleri garip gelebilir. kısaca pil nasıl çalışır, onu anlatalım:
6-a) pil nasıl çalışır?
piller basit bir elektron transferiyle çalışır. eğer bir yerden bir yere elektron akışı sağlarsanız bu size akımı yani elektrik enerjisini oluşturur. en temel tekniklerden biri elektrokimyasal seride farklı 2 metali birbirine bağlamaktır. eğer kolay elektron verenle zor elektron veren 2 metali bağlarsanız bir metalden diğer metale devamlı elektron akışı olur ve akım yaratır ta ki kaynak metal tükenene kadar... akülerin, harcanabilir alkalin pillerin, çinko-karbon pillerin çalışma prensibi de bulur. peki telefonlarımızın saatlerce açık kalmasını sağlayan, ömrü uzun lityum iyon pillerin çalışma mantığı nedir? madem elimizde diğer piller vardı, neden lityum iyona ihtiyaç duyduk? aslında çalışma prensipleri tamamen aynıdır! tek fark kullanılan malzemedir.
elektrokimyasal seride elementlere baktığımız zaman periyodik cetvelde en üst solda 3 atomlu lityumu görürüz. lityum sapına kadar bir metaldir ve elektronlarını çok kolay şekilde vermesiyle ünlüdür. doğada saf halde bırakın bulunmasını, kimyasal olarak elde etmek bile güçtür. bu yüzden ilk zamanlarda çinko-karbon piller kullanılmıştır. yine mantıklı bir sebebi var. çinkoyu metalik formatta kolaylıkla elde edebiliyoruz fakat ömrü çok kısa, şarj edilemiyor ve 2 volt kadar gerilim sağlıyor. büyüttükçe ağırlığı da artıyor.
lityumun potansiyeli yüksek fakat kararsız bir metal, bu sebeple kararlı hale getirmek fakat hala elektron kopartabiliyor olmak için bileşik formatına sokmak en mantıklı çözüm olarak görünüyor. tabii bu durumda elektronunu verememe tehlikesi mevcut. araştırmalar sonunda 1990lerde lityum-kobalt-oksit bileşik keşfediliyor.
6-b) bu pil şöyle çalışıyor
katod olarak licoo2 (veya linio2, or limn2o4), anod olarak grafit seçiyoruz. grafitin özelliği tabakalı yapıya sahip olması ve siz şarj ettiğiniz zaman önce elektronlar grafite yol alıyor, elektronlarını kaybeden ve çözeltiye geçen çözünmüş lityum iyonları (li+1 formatında) ise grafit tabakalarının arasına sıkışıyor. siz şarjdan çektiğiniz anda kararsız lityum iyonları hızlıca katoda tekrardan yola alarak bileşik yapıyor ve elektronlar da tekrardan anottan katoda geçiyor ve lityumun kararsızlığı sebebiyle ilgili bileşikte 3,7 volt değerinde gerilim elde ediyorsunuz.
ref: li-ion çalışma prensibi:
yakın tarihte bunların lityum polimer versiyonları da çıktı. bunlarda tek fark, hareketi ve iyonlaşmayı sağlayan sıvı elektrolitin yerine katı polimer olması, özel bir kaplamaya ihtiyaç duymamaları ve hafif olmaları.
6-c) peki eski çinko pillerde bunu neden yapamıyoruz?
çünkü çinko metalik formatta, bir kere yolculuğunu tamamlayan çinko'nun geri dönmesi için bir sebep yok. genellikle de bileşik yaparak elektrolit içinde kalabiliyor veya gittiği yerde metalik formatta hayatını sürdürüyor, oysa ki lityumun kararlı olacağı bir licoo2 bileşiği mevcut. işte devrim de burada yatıyor. licoo2 pillerde grafit ya da licoo2 tarafı tükenmiyor, sadece yer değiştirip duruyorlar. bu pillerin daha güzel bir tarafı var o da hafif olmaları.
ek not: zamanında ni-cd piller mevcuttu, ilk taşınabilir ve şarj edilebilir pillerdendi. bunların da en büyük sorunu toksik olmaları ve kapasitelerinin düşük olmasıydı. bir de şarj alma özelliklerini reaksiyon doğası sebebiyle kolaylıkla kaybediyorlardı. en kötüsü de bunun ilk defa aya gönderilen bir uyduda fark edilmiş olmasıydı. düşünün uydu atıyorsunuz ve piliniz bitiyor.
ref: https://www.electronics-notes.com/…emory-effect.php
7) cdse ve kuantum noktaları ve tv teknolojisi
malzemeler oldukça ilginç yapıdalar ve boyut önemlidir. bir malzemeyi yeteri kadar küçük üretirseniz kuantum mekaniğine uyarsınız. kuantum mekaniği elektronların atomlarla etkileşiminden dolayı ortaya çıkan farklı durumları öngörür ve gözle görünür en güzel uygulamalarından biridir.
7-a) bu ne demek?
siz malzemeyi yeteri kadar küçültürseniz atoma ait atomun elektronlarını, fotonlarla etkileştirirsiniz ve renksiz bir malzeme bu uyarım sayesinde renk kazanır. bunun sebebi "tek boyutta kuantum potansiyel kuyusudur." yani malzeme küçüldükçe kuantum kuyusu küçülür ve elektron daha fazla fotonla çarpışarak enerji üretir bu da mora yakın frekanslar görmemize sebep olur. bu sınırlar içinde malzemeyi nanoboyutta büyütürsek bu sefer kırmızının tonları keskinlik kazanmaya başlar.
7-b) pratik kullanımı nedir?
varsayalım bir tv üreteceksiniz amacınız renkleri tam ve doğru vermek olacaktır. işte nano boyutta kuantum noktaları doğru boyutta üretirseniz o rengin tam frekans karşılığını almış ve olabilecek en doğru çözünürlüğü ve rengi sağlamış olursunuz.
8) labacuo ve süperiletkenlik ve hızlı trenler
oda sıcaklığında bilinen en iletken metal gümüştür. onun bile belli bir direnci vardır ve sıcaklığa bağımlıdır. temelde iletkenlik, metallerin son yörüngesinde bulunan hareket edebilen serbest elektronlar tarafından sağlanır ve bu, malzeme açısından düşünüldüğünde milyonlarca atom ve son yörünge elektronu anlamına gelir. siz sıcaklığı arttırdıkça elektronlar birbirine çarparak iletkenliği düşürür, yani direnç oluşturursunuz (drude teorisi).
bu teoriyle düşük sıcaklıklarda metallerin iletkenliğinin hangi noktaya kadar artacağı araştırılmış ve 1911'de sıvı civanın 4°k 'da (-296°c) iletkenliğin aniden sonsuza çıktığı yani direncin sıfıra düştüğü görülmüştür fakat 4°k kullanılabilir bir sıcaklık değildir. gelişmelerle 1986'da labacuo seramiği ile 30°k'e, 1995 civarında hgbacacuo seramiği ile 150°k üstüne günümüzde ise fese seramiği ile 100°k civarında geçiş sıcaklıklarına ulaşılmıştır. oda sıcaklığında dönüşümün sağlanabilmesi için yeni malzemeler geliştirilmektedir.
ref: süperiletkenliğin gelişimi
peki süper iletkenlik ne işimize yarar? manyetik malzemeleri anlatırken elektrik alanla manyetik alanın birbirine dik olduğundan bahsetmiştik. yani sonsuz elektriksel alana sahip bir malzeme aynı zamanda sonsuz manyetik alana da sahiptir ve bu durum malzemenin yerin manyetik alanına karşı gelerek yerden yükselmesine sebep olur. bu sayede hızlı trenler sürtünmesiz olarak yerin üstünde hareket edebilir.
süperiletkenlikle mr cihazları ve çok güçlü magnetler de üretilebilmektedir. bu teknolojinin şimdilik tek sınırı sıcaklıktır. en yüksek kullanım sıcaklığının 150°k olduğu düşünülürse ki bu -123°c denk gelir oda sıcaklığında anlamsız bir teknolojidir, devamlı soğutmak gerekir. yararlanabilmek için de sıvı helyum, sıvı nitrojen gibi kaynaklara ihtiyaç duyar.
genel referanslar ve daha fazla bilgi için:
1) william d. callister jr., david g. rethwisch, "materials science and engineering: an introduction, 10th edition", wlley, 2018.
2) https://www.copper.org/…tory/timeline/timeline.html
3) https://en.wikipedia.org/wiki/bronze_age
5) https://www.history.com/…opics/pre-history/iron-age
6) fuat yavuz bor, "ekstraktif metalurji prensipleri", itü yayınları, 1989.
7) terkel rosenqvist, "principles of extractive metallurgy", mcgraw, 1983.
8) safa kasap, "principles of electronic materials and devices 4th edition", mcgraw, 2017.
9) reiner korthauer(editor), "lithium-ion batteries: basics and applications", springer berlin heidelberg, 2018.
10) vladimir s. bagotsky, alexander m. skundin, yurij m. volfkovich, "electrochemical power sources: batteries, fuel cells, and supercapacitors", the ecs series of texts and monographs, 2015.
Taş Plaklar Hangi Malzemeden İmal Ediliyor?
