Işığa Duyarlı Şekil Hafızalı Polimerler
Özet
Işığa duyarlı şekil hafızalı polimerler (IDŞHP), ışık etkisi ile makroskobik özelliklerini değiştirebilen ve uyarıcı etki ortadan kaldırıldığında geçici şeklinden kalıcı şekline dönebilen akıllı polimerlerdir. Bu çalışmada ışığa duyarlı şekil hafızalı polimerlerin temel özellikleri ve uygulamaları ele alınmıştır.
1.Giriş
Işığa duyarlı akıllı polimerler, ışık etkisine farklı şekillerde yanıt veren yapılardır. Son zamanlarda en çok çalışılan konulardan birisi olan IDŞHP’nin genellikle akıllı yüzeyler, sensörler, aktüatörler gibi alanlardaki kullanılabilirliği üzerine çalışmalar yapılmaktadır.
2.Işığa duyarlı şekil hafızalı polimerler
Işığa karşı duyarlı olan ŞHP ışık etkisi altındaki şekil değiştirme mekanizmaları Şekil 1’de gösterilmektedir. Buradan da görüldüğü gibi, uygun bir dalga boyundaki ışığa maruz kalan polimer şekil değiştirmekte, bu etki ortadan kalktığında ise eski haline dönmektedir.
Şekil 1. Işığa karşı duyarlı ŞHP [1]
Işığa karşı duyarlı olan ŞHP’lerin moleküler mekanizması daha ayrıntılı olarak Şekil 2’de görülmektedir. İlk durumda serbest halde bulunan polimer belli bir gerilime maruz bırakılmakta (a), daha sonra belli dalga boyundaki (λA) ışımaya maruz bırakılmaktadır. Bu adıma ışık altında sabitleme denilmektedir (b). Daha sonra gerilim uzaklaştırılmakta ve polimer geçici şeklinde kalmaktadır (c). Eğer başka bir dalga boyunda ışımaya (λB) maruz kalırsa, polimer orijinal şekline geri dönmektedir [1-5].
Şekil 2. Işığa karşı duyarlı ŞHP’lerin moleküler mekanizması [1]
Işığa duyarlı şekil hafızalı polimerler, yapıya tersinir fotoreaktif anahtar grupların yapıya ilave edilmesi ile elde edilmektedir. Uygun bir dalga boyundaki ışık ile ışığa duyarlı gruplar arasındaki etkileşim ile katılma reaksiyonu gerçekleşmekte ve bunun sonunda yeni bir yapı elde edilmektedir. Farklı dalga boylarındaki ışığa maruz kalma durumunda yeni oluşan bağların ayrılması da gözlenebilmektedir. Işığaduyarlı ŞHP’ lerde farklı dalga boylarında ışığın geçici şeklin oluşturulması ve orijinal şekle dönmesi için kullanılmaktadır. Bu tür polimerler, malzemenin çeşitli asit veya azo bileşenleri ile fonksiyonlaştırılmasıyla elde edilmektedir [1-5].
Azobenzen belli dalga boyundaki ışığa çok hızlı tepki gösterdiği için çok tercih edilmektedir. Azobenzene, iki fenil halkasını birleştiren azo bağları (−N=N−) içeren iki aromatik halkadan oluşmaktadır. Aromatik halkanın farklı gruplarla değiştirilmesi ile elektron alıp-verme, dolayısıyla ışığa karşı tepkileri değişen yapılar elde edilebilmektedir. Bu grupta yer alan yapıların foto kimyasal özellikleri çok önemlidir. Özellikle π-kongüge yapısı yani ışığın (UV ve/veya görünür ışık) absorbsiyon edilme derecesidir. Azobenzen ve türevleri oldukça rijit bir yapıya sahiptir ve uygun ışıma altında kolay ve hızlı bir şekilde foto izomerizasyon davranışı gösterebilir [1-5].
Şekil 3. Azobenzenin trans-cisizomerizasyonu [1]
Azo benzenler Şekil3’den de görüldüğü gibi, iki izomerik konfigürasyona sahiptir. Isıl olarak stabil olduğu transformu ve yarı stabil olduğu cis formu. UV ışını altında trans azo benzene kolayca cis formuna dönüşebilmekte, bu da molekülün boyutunu küçültmektedir. 9A° olan mesafe 5.5 A°’a düşmektedir. UV kaynağı kapatıldığında azobenzen daha kararlı olan transformuna dönüşmekte ve bu sayede polimer eski haline dönmektedir. Bu fotokimyasal etki birçok sistemde kullanılabilmektedir. [1-5]
Şekil 4. Tersinir davranışını gösteren model [3]
Benzer şekilde moleküler seviyede (C6H5CHCHCO2H) gibi ışığa duyarlı anahtar görevi gören moleküllerin eklenmesi ile elde edilen yapı, uygun bir dalga boyundaki ışımaya (> 260 nm) maruz bırakıldığında polimerin yapısında bulunan ışığa duyarlı fonksiyonel gruplar, fotokimyasal reaksiyona girmekte birbiriyle kovalent çapraz bağlar yapmakta ve farklı bir yapının meydana gelmesini sağlamaktadır (Şekil 4) [3-5]. Işığaduyarlı ŞHP moleküler düzeyde iki bileşenden oluşmaktadır bunlar moleküler anahtar grupları ve birbirine girmiş polimer zincirleridir. Işığa maruz kalan iki molekül anahtarı Şekil4’den de görüldüğü gibi, çapraz bağlanma sonucunda iki segment bulunan halkalı bir yapı oluşturmaktadır. Programlama esnasında, polimer gerilim altında dalga boyu 260 nm’den büyük olan ( λ> 260 nm) olan bir ultraviyole ışığa maruz bırakılmakta, böylece gergin halde yeni kovalent bağlar oluşturulmaktadır. Daha sonra λ <260 nm olan ışımalarda oluşan kovalent bağlar ayrılmakta ve kalıcı şekil geri kazanılabilmektedir [3-5].
Işığa duyarlı gruplar aşılama yolu ve birbiri içine girmiş ağlar olmak üzere iki farklı şekilde polimerik ağ yapısına dahil edilebilmektedir. Aşılma yolu ile elde edilen ŞHP için, foto-tersinir kovalent çapraz bağlar moleküler anahtarlanma aracılığıyla oluşturulmuş ve aşılama ile yapıya dahil edilmiştir. Birbiri içine girmiş ağ yapısına sahip ışığa duyarlı ŞHP için, polimer ağında birbiri içine girmişfoto – tersinir kovalent çapraz bağlantılar içeren moleküler anahtarlar aracılığıyla oluşturulmaktadır. Her iki durumda da kalıcı şekil amorf yapıdaki ağın segmentlerini çapraz bağlanmasını sağlayan kalıcı ağ noktaları tarafından belirlenmektedir [2-5].
Bu yapıların yanında son yıllarda yapılan çalışmalar daha çok anizotropik ŞHP’ler üzerine yoğunlaşmaktadır. Işığa karşı hassas olan bu yapılar belli bir doğrultuda, seçimli bir şekilde şekil değiştirmektedirler. Bunlara örnek likit kristal elastomer esaslı polimerler örnek olarak verilebilmektedir. Ikeda ve arkadaşları, yaptıkları çalışmada likit kristal polimerler kullanmışlar ve çapraz bağlanma yoğunluğunun malzemenin bükülme davranışına olan etkisini incelemişlerdir. Yapılan çalışma sonunda çapraz bağ yoğunluğunun artması ile yapıda bulunan azobenzen grupları daha iyi bir şekilde düzenlenmiş ve UV ışımasına maruz kalan polimerlerde meydana gelen % çekme oranı artmıştır [2-5]. Bunun gibi farklı fonksiyonel grup içeren ve amorf semi-kristalin ve likit kristal elastomer yapıdaki polimerler ve kopolimerler farklı çapraz bağ yoğunluklarına bağlı olarak farklı tepkiler verebilmektedir.
Sonuç
Işığa duyarlı şekil hafızalı polimerler, sahip olduğu şeklini hafızasında koruyarak, geçici olarak deforme olmuş şeklinden ışık etkisiyle kontrollü bir biçimde orijinal şekline dönebilen akıllı malzemelerdir. IDŞHP’ler henüz Ar-Ge aşamasında olup yapılan çalışmalar genellikle biyolojik ve mekanik uygulamalara yöneliktir ve akıllı lifler ve lifsi yapılar, akıllı yüzeyler, sensörler, aktüatörler, akıllı enjekte edilebilen jeller gibi alanlardadır.
Kaynaklar
1. Danish Iqbal, Muhammad Haris Samiullah, Photo-Responsive Shape-Memory and Shape-Changing Liquid-Crystal Polymer Networks, Materials 2013, 6, 116-142
2. Yu, Y.L.; Nakano, M.; Ikeda, T. Directed bending of a polymer film by light -Miniaturizing a simple photomechanical system could expand its range of applications. Nature 2003, 425, 145–145
3. Jiang, H. Y., Kelch, S., &Lendlein, a. (2006). Polymers Move in Response to Light. Advanced Materials, 18(11), 1471–1475.
4. Lendlein, A., Jiang, H., Jünger, O., & Langer, R. (2005). Light-induced shape-memory polymers. Nature, 434(7035), 879-882.
5. Yu, Y.L.; Nakano, M.; Ikeda, T. Photoinduced bending and unbending behavior of liquidcrystalline gels and elastomers. Pure Appl. Chem. 2004, 76, 1467–1477.
Kübra KARABACAK, İrem Nehir UYSAL, Hatice Aylin KARAHAN TOPRAKÇI
Yalova Üniversitesi Polimer Mühendisliği Bölümü
