Bir nanosertlik izinin atomik kuvvet mikroskobu ile elde edilmiş görüntüsü (Özerinç vd. 2010)

Nanosertlik Nedir?

Nanosertlik ölçümleri, geleneksel sertlik ölçümlerinin mikro ve nano ölçekteki uygulaması olarak özetlenebilir. İngilizce'de ölçümün kendisine nanoindentation, bu ölçüm ile elde edilen sertlik değerlerine de nanohardness denilmektedir. Nanoindentation'ın birebir tercümesi olan nanobatma yerine nanosertlik ölçümleri ifadesi daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Nanosertlik Ölçümü Nasıl Yapılır?

Nanosertlik ölçümleri nanosertlik cihazı (nanoindenter) adı verilen cihazlar ile yapılır. Bu cihazların en önemli özelliği, nm hassasiyetinde deplasman ve mikroN hassasiyetinde kuvvet ölçebilmeleridir. Ölçüm esnasında nanosertlik cihazı, elmas bir uç aracılığıyla numuneye artan seviyelerde kuvvet uygular. Bu esnada hem uygulanan kuvvet, hem de elmas ucun numune içerisine deplasmanı ölçülür ve kaydedilir. İstenen kuvvet veya derinliğe ulaşıldığında kuvvet kademeli olarak azaltılır ve ölçüm tamamlanır.

Nanosertlik Ölçümü Sonucu Nasıl Analiz Edilir?

Elde edilen kuvvet-deplasman eğrisi çoğunlukla Oliver-Pharr adı verilen yöntem ile analiz edilir. Bu analizin sonucunda numunenin sertliğinin yanı sıra elastikiyet modülü de elde edilir.

Nanosertlik Ölçümü Ne Zaman İşe Yarar?

Nanosertlik ölçümleri ile, sadece 100 nm'lik bir batma derinliği kullanarak, malzemenin sertlik ve elastikiyet modülü değerlerini belirlemek mümkündür. Dolayısıyla yöntemin en öne çıkan özelliği, çok küçük bir alanda mekanik özellikleri ölçebilmesidir. Bu kabiliyete bağlı olarak nanosertlik ölçümlerinin en yararlı olduğu durumlar aşağıda özetlenmiştir:

1. İnce film kaplamalar: Kaplama kalınlığının yaklaşık 5 mikronun altında olduğu durumlarda geleneksel sertlik deneyleri iyi sonuç vermemektedir. Bunun temel nedeni, deney esnasında kaplamanın altındaki yüzeyin de deforme olması ve buna bağlı olarak deney sonuçlarının altlık özelliklerinden etkilenmesidir. Nanosertlik deneyleri düşük batma derinlikleri nedeniyle bu soruna çözüm sunarlar.

2. Mekanik özellikleri homojen olmayan yapılar ve malzemeler: Malzemelerin mekanik özellikleri çeşitli nedenlerle heterojen olabilmektedir. Söz konusu heterojenlik küçük ölçekte veya ani şekilde değişen nitelikte olduğunda, bu bölgedeki mekanik özellikleri anlamak zorlaşmaktadır. Nanosertlik bu konuda çok etkili bir çözüm sunmaktadır. Bu kapsamda nanosertlik deneylerinin uygulanabileceği bazı örnek yapılar:

-  Metallerin kaynak işleminden etkilenen bölgeleri (heat affected zone)

- Biyolojik yapılar (dişin minesi ve dentin bölgesi)

- Kompozit yapılar (beton, karbon-fiber kompozitler, polimer matrisli nanokompozitler gibi birçok farklı malzeme)

- Yüzey işlemi uygulanmış malzemeler (karbürizasyon, bilyalı sertleştirme, kaplama uygulamaları)

3. Geleneksel yöntemlerle mekanik özellikleri ölçülemeyen malzemeler: Ar-Ge aşamasında olan yeni nesil malzemelerin birçoğu büyük ölçekte üretilememekte; toz, film veya folyo gibi formlarda elde edilmektedir. Bunlara ilave olarak, uygulama alanı gereği küçük boyutlara sahip birçok fonksiyonel malzeme bulunmaktadır (mikro elektro-mekanik sistemlerin yapısal bileşenleri ve toz metalürjisinde kullanılan tozlar gibi). Bu malzemelerin mekanik özellikleri, boyut sınırlaması nedeniyle geleneksel çekme ve basma deneyleri ile ölçülememektedir. Dolayısıyla söz konusu malzemelerin mekanik davranışlarının incelenmesinde de nanosertlik yöntemi öne çıkmaktadır.

Nanosertlik Ölçümü Zahmetli midir?

Nanosertlik ölçümlerinin temel gereksinimi, çok iyi parlatılmış düz bir yüzeydir. Bu gereksinimi karşılayan bir numune üzerinde ölçüm yapmak oldukça kolay ve hızlıdır. Cihaza ve numune tipine bağlı olmakla birlikte, birkaç saat içerisinde onlarca sertlik deneyi yapmak mümkündür. Dolayısıyla nanosertlik ölçümleri, numune hazırlığının ardından uygulaması oldukça kolay olan bir yöntemdir.

Yöntem kolay uygulanabilir ve hızlıdır, fakat ölçümde kullanılacak parametrelerin doğru seçilmesi ve sonuçların doğru yorumlanması konusu kapsamlı bilgi ve deneyim gerektiren bir iştir. Nanosertlik ölçümleri diğer birçok malzeme karakterizasyon yöntemine göre yeni olduğu için, bu konuda uzman kişi sayısı dünyada ve özellikle ülkemizde oldukça azdır. Bu durum nanosertlik ölçümlerinden gerektiği şekilde faydalanılmasına engel olmaktadır. Konuya ilgi duyan firmalar ve araştırmacılar, yöntemin pratikliği nedeniyle aceleyle ölçüm yapmakta/yaptırmakta ve anlamsız görünen sonuçlar çıkması neticesinde hemen vazgeçmekte veya yöntemin yetersiz olduğu kanısına varmaktadırlar.

Nanomekanik Laboratuvarı'nın Nanosertlik Ölçümü Konusunda Uzmanlık Desteği

Laboratuvarımızın temel amacı, yüksek dayanımlı yeni nesil malzeme teknolojileri konusunda araştırma ve geliştirme faaliyetleri sürdürmektir. Bu temel amacın yanında bir diğer amacımız da, yeterince etkin kullanılmadığını düşündüğümüz nanosertlik ölçümleri konusunda ülkemizdeki büyük araştırma potansiyelini açığa çıkarmaktır. Bu amaç kapsamında ülkemizde ve dünyada birçok araştırmacı ile ortak çalışmalar yürütmekteyiz. İşbirliğinin ve projenin niteliğine göre araştırma grubumuz bazı çalışmalarda numune hazırlanmasından ölçümlerin gerçekleştirilmesine kadar tüm süreçlerde destek vermekte, bazı çalışmalarda ise sadece doğru ölçüm parametrelerinin kullanılması ve deney sonuçlarının doğru yorumlanması konusunda katkı sağlamaktadır.

Malzeme biliminden biyolojiye, inşaat mühendisliğinden arkeolojiye kadar çok geniş bir yelpazede kullanılan nanosertlik deneyleri kapsamında yeni araştırma işbirlikleri kurmaya her zaman açığız. Bu konuda detaylı bilgi almak için bizimle e-posta aracılığıyla iletişime geçebilirsiniz: ozerinc@metu.edu.tr

Anahtar kelimeler: sertlik ölçümleri, mikrosertlik ölçümleri, nanosertlik ölçümleri, ince filmler, mekanik özellikler, nanomekanik, mikromekanik, nanomalzemelerin mekanik özellikleri, nanoteknoloji, araştırma işbirliği

Keywords: nanoindentation, nanomechanics, research collaboration, Turkey