Cisimler dış dünya ile yüzeyleri vasıtası ile etkileşime girerler, ve genelde bu kural canlılar içinde geçerlidir. İnsanlığın Ay yolculuğu macerası Ay toprağına ayak basmadan önce Ayın yüzeyinin binlerce fotoğraflarının çekilmesi ve tetkiki ile başlamıştır. Aksine, insanların atomların dünyasını tanıması ise direkt olarak cisimlerin hacimsel (bulk:oylum, hacim)yapılarını ve davranışlarını gözlemleyerek olmuştur. Bu tezatı ünlü fizikçi Wolfgang Pauli yüzeylerin ancak şeytanın yaratabileceği kadar karmaşık, yanıltıcı ve anlaşılması zor sistemler olduğunu ima eden bir şikayet ile açıklamaya çalışır.

Yüzeylerin alışıla gelenden farklı karakterleri bazen bilim ve teknolojinin yararına kullanılabilirken, üstün katalitik özellikleri gibi, diğer yönden de son derece yıkıcı ve aşılması güç sorunlar olarak ekonominin ve endüstrinin önüne çıkabilmektedir. Buna en canlı örnek olarak birbirleriyle etkileşimde olan hareketli iki yüzeyin aşınması, sürtünmenin yol açtığı aşırı ısınma, oksidasyon ve korozyona dayalı olarak malzemelerin bozunması gösterilebilir Dr. Peter Jost ve ekibi 9 Mart 1966’da İngiliz hükümetine sunduklarI, bugün ‘The JostReport’ ismi ile anIlan raporda sürtünme, korozyon ve aşınma kaynaklı kayıpların İngiltere ekonomisine yıllık maliyetinin gayri safi milli hasılanın (GSMH) %4’ü kadar olduğunu belirtmişlerdir . İzleyen 10 yıl içinde benzer çalışmalar A.B.D., Almanya, Kanada ve diğer sanayileşmiş ülkelerde tekrarlanmış, önleyici tedbirler alınması ve yeni dayanıklı yüzeyle geliştirilmesi sayesinde kayıpların bir kısmının önlenebileceği kanıtlanmıştır. Koruyucu kaplama teknolojisi, yüzeylerin korunması ve bozunmanın önlenmesi için geliştirilen yöntemlerden en basitidir.

Bozunmaya dayanıklı bir malzemenin ikiboyutlu ince tabaka halinde korunması gereken yüzeylerinüzerine kaplanması sureti ile yeni ve daha dayanıklı bir yüzey elde edilmesidir. Metal yüzeylerin korozyona karşı boyanması, bakır tencerelerin kalaylanması, veya alüminyum yüzeylerin anodizasyonu gibi ifllemler bu tekniğin en basit ve yaygın örnekleri olarak gösterilebilir.Günümüzde yüksek teknolojinin girdiği alanlar genişledikçe yüzey sorununun bir yüzü olanaşınmaya dayanıklılık ve sert kaplamalar konusu gittikçe önem kazanmaktadır. Sert kaplamaların uygulama alanları kalça, diz ve diğer eklem protezleri, jet motorları, sabit diskler, talaşlı imalatta kullanılan delici/kesici/aşındırıcı uçlar, silindir ve piston gövdeleri, rulman yatakları gibi çok geniş bir yelpazeyi kaplamaktadır. Sert kaplamaların endüstriyel rolünü ve önemini anlamamız için flu örneğe dikkat etmemiz lazımdır: Amerika Birleik Devletleri Enerji Bakanlığı (DOE) yeni malzemeler araştırma bütçesinin %59’unu bozunmaya dayanıklı (aşınma, sürtünme, korozyon vb.) malzemelere ayırırken, bunun içinden sert ko-ruyucu kaplamaların araştırılmasına ayıracağı payı %26 olarak açıklamıştır .

Aynı çalışmada ultra-sert (> 40 GPa), aşınmaya dirençli nano-kristal kaplamaların geliştirilmesi ile yakın gelecekte senede 2.4 milyar dolarlık enerji kaybının önlenmesi hedeflenmektedir.Son zamanlarda bu konu üzerine yoğunlaşan çalışmalar bor karbon-azot (B-C-N) üçlüsistemini yaygın endüstriyel kullanıma elverişli ultra-sert ve aşınmaya dirençli kaplamalar yö-nünden yüksek potansiyele sahip göstermektedir. Özellikle, ülkemizin düflük bir katma değerle yurtdışına sattığı bor madeni daha sonra yurtdışından yüksek maliyetle saflaştırılmış ile ri teknoloji ürünü bor içeren bileşikler veyasistemler olarak geri satın aldığını düşünürsek bu çalışmaların önemini daha sıkı kavrayacağımız aşikar.B-C-N sisteminde en popüler kaplamalara örnek olarak kübik-bor nitrür, (k-BN) kaplamalar verilebilir. şekil 2’de k-BN kaplamaların makro, mikro ve nano boyutlarda yapıları sergilenmektedir. K-BN kaplamalar endüstride günümüzde yaygın olarak kullanılan koruyucu kaplamalardan titanyum nitrür (TiN) ve elmas-benzeri-karbon (DLC) gibi kaplamalardan 2-3 kat daha sert ve 10 kat daha üstün aşınma direnci göstermektedir. Ancak bu yüksek potansiyeline karşın k-BN’ün sentezlenmesinde varolan sorunlar endüstriyel uygulamalarını ciddi bir şekilde kısıtlamaktadır.

Bu sorunların aşılması için yazıda daha önce bahsedildiği üzeregelişmiş ülkelerde çok ciddi ve yüksek bütçeli çalışmalar finanse edilmektedir.Söz konusu çalışmalarda kaplamaların sentezlenmesi sırasında geçen olaylar atom seviyesinde çözünürlük sağlayan taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ve geçirimli elektronmikroskobu (TEM) kullanılarak atomlar seviyesinde gözlemlenmektedir. Kaplamalarda atomların dizilimlerini gösteren bir TEM resmi görülmektedir). Bu tekniklerden elde edilen veriler kullanılarak yüksek kalitede ve istenilen özelliklere sahip kaplamaların üretebileceği fiziksel ve kimyasal ortamlar araştırılmaktadır. Bunun dışında bu tür tekniklerin sentez metotları ile eş zamanlı kullanımı ile büyüme mekanizmalarına anında müdahale mümkün olmaktadır. Daha önceleri denemeyanılma yolu kullanılarak deney masasından endüstriye uygulanması on yıllar süren bilimsel ilerlemeler bu tür gelişmiş teknikler kullanılarak birkaç yıl içinde gerçekleştirilmektedir. Maliyet-fayda oranı 1:50 olarak belirlenen sert ve aşınmaya dayanıklı kaplamalar konulu araştırmalar gelişmiş ülkelerde artan bir ivme ile devam etmektedir.

Hedefi elmastan daha sert ve sürtünme katsayısı hemen hemen sıfır olan kaplamaların geliştirilmesi ve endüstriye uyarlanması konulu araştırmalar sürerken Türkiye’nin bu konuya ilgisiz kalması düşünülemez. Bunun için bor içeren ultra-sert kaplamaların sentezlemesi ve bu esnada karşılaşılan sorunları derinlemesine irdelemek, çözmek ve sonuçta bu tür kaplamaları ülkemizde endüstriyel uygulamalar için hazır hale getirilmesi yeni kurulan Ulusal Nanoteknoloji Arafltırma Merkezi’nde (UNAM) en önemli araştırma konularının arasında yer almaktadır. Yukarıda anlatılan kapsam dışında bu çalışmalar sırasında ülkemizde az bilinen ve uygulanan ince-kaplama karakterizasyon ve vakum çökertme teknolojileri konusunda eğitimli kalifiye eleman yetiştirmek ve endüstriye kazandırmak da UNAM’ın amaçlarından biridir.


Yrd. Doç. Dr. Erman Bengü
Bilkent Üniversitesi, Kimya Bölümü
Kaynak: Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi