Mikroyapı-özellik ilişkisinin çözümlenmesinde yeni kolaylık

Mikroyapı özellikleri ile bu özelliklerin nitelikleri arasındaki ilişkinin tespiti, malzeme performansının artırılması ve yeni nesil yapısal ve işlevsel malzemelerin tasarımının geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Ancak, bu süreç doğası gereği zordur çünkü hem mikroyapısal özelliklerin kapsamlı bir şekilde ölçülmesini hem de ilgili özelliklerin doğru bir biçimde değerlendirilmesini gerektirir¹.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için yola çıkan  Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLUL) bilim insanları, gözenekli mikroyapıların ve bu yapıların özelliklerinin etkilerini çözümlemek amacıyla etkili ve kapsamlı bir hesaplama yöntemi geliştirdiler. Gerçekleştirdikleri araştırma ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde yayınlandı.

LLUL biliminsanı ve makalenin başyazarı Feng’in belirttiğine göre, araştırmacılar fizik tabanlı mikroyapı modellemesi, özellik çıkarımı, mikroyapıya dayalı etkin özellik değerlendirmesi ve makine öğrenimi analiz araçlarını içeren entegre bir hesaplama yöntemi geliştirdiler.

Ekip, yöntemi temsil niteliğinde bir model sistem olarak polimer bazlı gözenekli malzemelere uyguladı. Bu uygulamanın sonucunda, yöntemin polimerizasyon dinamiklerinin alan boyutu ve gözenek boyutu dağılımı gibi çeşitli genel ve yerel mikroyapı özelliklerini nasıl etkilediğini ve bu özelliklerin taşıma nitelikleri üzerindeki etkilerini belirleme yeteneğini gözlemlediler.

Makalenin ortak yazarı Heo, ‘’Hedefimiz yalnızca fizik tabanlı modellerle mikroyapıların oluşumunu anlamaya ve etkili özelliklerini değerlendirmeye yönelik bir çerçeve oluşturmak değil, aynı zamanda hangi mikroyapı özelliklerinin farklı malzeme özelliklerini belirlediğini ve bunu nasıl gerçekletirdiklerini de tespit edebilmektir.’’ dedi.

Bu yöntem, polimer bazlı gözenekli malzemelerdeki mikroyapı-özellik ilişkilerini analiz etmek için yenilikçi bir çerçeve sağlayarak, ileri düzey malzemelerin geliştirilmesine olanak tanımaktadır.

Makalenin bir diğer ortak yazarı Biener, ‘’Bu ilişkilerin kavranması, özellikle de membranlar gibi çeşitli uygulamalar için polimerik gözenekli malzemelerin istenen özelliklere ulaşması ve belirli mikroyapıları uyarlamaya yönelik işlem prosedürlerine yol gösterebilir.’’ dedi².

Ayrıca, polimerik gözenekli mikroyapılar, yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözenek büyüklüğü, hafif olmaları ve kimyasal kararlılık gibi avantajları ile farklı enerji depolama sistemlerinde kullanılabilir. Gözeneklerde daha fazla iyon depolanabilmesi ile süperkapasitörlerin daha yüksek enerji yoğunluklarına sahip olmasını sağlayabilirler³.

Kaynaklar

1. Feng, L., Huang, S., Heo, T. W., & Biener, J. (2024). Integrated Framework to Model Microstructure Evolution and Decipher the Microstructure–Property Relationship in Polymeric Porous Materials. ACS Applied Materials & Interfaces
2. https://phys.org/news/2024-08-unveiling-key-factors-properties-porous.html
3. Kotp, M. G., Kuo, S. W., & EL-Mahdy, A. F. (2024). Phenazine-based conjugated microporous polymers: Influence of planarity and imine content on energy storage performance. Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, 685, 1332