Sürtünme Elektriklenmesinin Sürtünen Yüzeyler Arası Madde Transferi ile İlişkilendirilerek Aydınlatılması

TÜBİTAK Projesi, 1001 - Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı, 2023 - 2025

Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
Destek Programı: 1001 - Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı
Başlama Tarihi: Haziran 2023
Bitiş Tarihi: Haziran 2025

Proje Özeti

Sürtünme elektriklenmesi günlük hayatta ve modern teknoloji uygulamalarında yıkıcı (yangın başlatma, elektronik malzemelerin bozulması, yüzeylere toz veya parçacık toplanmasına neden olması gibi) etkileri olduğu bilinen ve mekanizması ancak geçtiğimiz son yıllarda özellikle modern yüzey ölçüm cihazlarının kullanılmasıyla daha da iyi anlaşılmaya başlanan bir konudur. Literatürde triboelektriklenme olarak da yaygın olarak bilinen sürtünme elektriklenmesi hem mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirme ve düşük güçteki cihazlara enerji kaynağı oluşturması üzerine yapılan araştırmalardan dolayı hem de elektriklenme mekanizmasının aydınlatılması konusunda yapılan çalışmalarla artan bir şekilde mühendislik ve temel bilimlerin ilgisini çekmeye devam etmektedir. Bu konudaki literatür çalışmalarına göre, bu olayın oluşumu temel olarak: i) birbirine dokunarak temas eden cisimler (metal-polimer, polimer-polimer gibi) arasında tamamen elektron transferinden dolayı meydana geldiği, ii) dokunma sırasında iyon (polimer iyonik parçaları gibi) transferleri de olduğu ve ölçülen elektriksel yüklerin bu iyonlar (makro anyon ve katyon) olduğu, ve son olarak iii) fiziksel temas sonrasında özellikle polimer malzemelerin yüzeylerinde plastik deformasyonlar olmasıyla birlikte cisimler arasında madde transferi meydana geldiği ve transfer olan maddelerin de elektriksel yükler taşıdığı olarak üç ana kaynak halinde özetlenebilir (Baytekin 2011, 2013), (Harper, W. R., 1967), (Williams, M. W., 2012), (Lacks, D. J. ve Shinbrot, T., 2019). Birbirine sürtünen yüzeyler arasında madde transferinin yapışma, aşınma ve daha pek çok fiziksel olayın ve mekanik kuvvetlerin neticesinde meydana geldiği en hassas modern yüzey analiz teknikler kullanılarak gösterilmiştir. Madde transferi (polimerlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlı) ve elektriklenme arasında bir korelasyon olduğu daha önce içerisinde araştırmacı olarak bulunduğum bazı çalışmalarda AFM, XPS, confocal Raman teknikleri kullanılarak net olarak gözlemlenmiştir. Ancak madde transferi miktarı makro boyutta birbirine temas eden ve elektriklenen yüzeyler için sayısal bir değer olarak ne yazık ki XPS, SEM, AFM, ToF-SIMS, Raman, IR gibi gelişmiş teknikleri kullanarak şu ana kadar ortaya konulamamıştır. Yukarıda bahsedilen elektriklenme mekanizmalarını aydınlatmada kullanılan ileri derecede gelişmiş tekniklerin sınırlı ölçüde bilgi sağlamasından dolayı (örneğin, AFM veya XPS ile incelenen yüzey alanının (örneğin 1-500 mikrometre2), elektriklenmenin gerçekleştiği tüm yüzey alanına (cm2) göre çok küçük boyutta olması) mekanizma için kesin delil sunabilecek ideal bir ölçüm sunamamaktadır. Elektron ve iyon transferlerinin ortak çıkış noktasında yer aldığını düşündüğümüz ve kimyasal bağların kırılmalarına dayanan madde transferinin hassas bir yöntem ile ölçülmesi, elektriklenme mekanizması konusunun aydınlatılması bakımından son derece önem taşımaktadır. Bu nedenle, bu projede, literatür araştırmamıza göre şu ana kadar konu ile ilgili araştırmalarda yer almamış olan ve elektriklenme mekanizmasının aydınlatılmasında son derece önemli bir konu olan madde transferi ile elektriklenme arasında var olduğu düşünülen direkt bir bağlantı nanogram (ng) seviyesinde madde transferlerini algılayabilecek hassasiyetteki kuartz kristal mikroterazi (KKM) yöntemi kullanılarak somut olarak ortaya konulması amaçlanmıştır. Bu amaç için: farklı yapılara sahip ‘’doğrusal’’ polimerler ve polidimetilsiloksan (PDMS) gibi üç boyutlu ağ yapıya sahip polimerler kullanılacaktır. Bu polimerler farklı metal yüzeylerine (kuartz kristallerdeki gümüş, altın gibi elektrot yüzeyleri) dokunma-ayrılma ve sürtünme hareketleri yaptırılarak elektriklenmeleri sağlanacaktır. Sonrasında, hem kristalde biriken elektriksel yük, hem de dokunma olayı gerçekleştirilen polimerde biriken elektriksel yük (nanokulomb, nC) bir faraday kabı kullanılarak bir elektrometre cihazı ile nanokulomb (nC-pC) seviyesince ölçülecektir. Aynı zamanda da mikroterazinin kristali üzerinde bulunan metal elektrotta fiziksel temas sonrası oluşacak ‘’madde transferi’’nden dolayı biriken polimer kalıntının KKM yöntemi ile hassas olarak ölçülmesi ile kristalde biriken elektriksel yük arasındaki bağlantı, farklı kimyasal yapılara sahip polimerler için belirlenmiş olacaktır.

Bu çalışmalar tamamlandıktan sonra; polimerlerin KKM kristali üzerinde ölçülen polimer madde transferi miktarı ile bağlantılı olarak farklı miktarlarda elektriklenmeleri ve bunun dış ortam şartları ile ilgisinin ne derece bağlı olduğu, elektriklenen polimerlerde her zaman madde transferininin olup olmadığı gibi temel nitelikteki sorulara cevaplar bulunacaktır. Ayrıca, madde transferinin elektriklenme mekanizmasındaki yeri şu ana kadar yapıl(a)mamış hassasiyette ve ayrıntılı olarak ortaya konulabilecek, hem de sürtünme ve dokunma gibi fiziksel olaylarda veya farklı uygulamalarda yer alan polimerlerin aşınmaları hakkında çok faydalı olacağını düşündüğümüz temel nitelikte bilgiler elde edilecektir.