Biyomimetik: bir ahtapot gibi yapışkan ve bir nilüfer yaprağı gibi pürüzsüz? Teach article

Çeviri: Canbolat Gürses ve Hikmet Geçkil. Astrid Wonisch, Margit Delefant ve Marlene Rau bir Avusturya projesi olan "Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen" den geliştirilen iki aktivite ile teknolojinin doğadan nasıl esinlendiğini sunuyor.

Ahtapot yapışakları
Resim chang / iStockphoto
müsaadesiyle

2004’te Avusturya’daki University of Teacher Education Styria’danw1 Alice Pietsch bir bilim müzesinde basit ama çok görsel bir gösteriden ilham aldı. Emekli bir fen öğretmeni körük kullanarak havayı bir koyunun akciğerlerine ritmik olarak doldurup boşaltıyordu. Bu emekli öğretmenin çevresindeki kalabalık, fuarda yüksek-teknoloji sergileyen çoğu sergiden daha kalabalıktı. Bu durum, Alice’i hemen harekete geçirip interaktif bir bilim müzesi yaratmasını sağladı.

2008’de hayali gerçek oldu. Beş aylık bir süre içinde her yaştan Styrian öğrencisi diğer öğrenciler için 50 farklı aktivite geliştirdiler. Öğrenci ve öğretmenlerinin aktivitelerde ziyaretçilere yardımcı oldukları Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen (“Bilim ve teknolojiye dokunmak”) fuarı Haus der Wissenschaft (‘Bilim Evi’) 2009’da Graz, Avusturya’da gerçekleşti.

Bir nilüfer yaprağı hidrofobik
özelliklerini gösteriyor

Tanakawho izniyle; resim
kaynağı: Flickr

Sergilenen çoğu aktivite fen sınıfları için uygundur. Burada, doğa prensiplerinin mühendislik ve teknolojiye uygulaması olan biyomimetik hakkında iki aktivite sunuyoruz. Dulavratotunun kancalı tohumlarını taklit eden Velcro ve yunusların kalın derisini taklit eden şişme botların sert karinaları yaygın örneklerdir. Aşağıdaki aktiviteler doğada görülen emici (vakumlu) pedleri ve süper su-geçirmezliği incelemektedir. Bu aktiviteler, ortaokul ikinci sınıftan daha öncesindeki öğrenciler (10-15 yaş) için geliştirilmiş olup, diğer herhangi yaştaki öğrenciler için de uyarlanabilir ve fizik, kimya ve biyolojinin bir bütünlük içinde anlaşılması için de iyi bir fırsat sunmaktadır. Kaydedilen detayın seviyesine bağlı olarak, aktivitelerin her biri 5 dakikayla bir saatten fazla sürebilir.

Fuardaki aktivitelerin tam koleksiyonu Almanya’dan Birgit Muhr’dan (birgit.muhr@phst.at) posta dahil 19 euroya basılı olarak sağlanabilir.

Düz yüzeylere yapışma: negatif basınç

Bir ağaç kurbağası
Resim Nickodemo
müsaadesiyle; resim kaynağı:
Flickr

Beyaz eşya ve cam gibi düz yüzeylere vakumlu yapışan pedler (yapışaklar) ağaç kurbağalarının ayaklarının tabanından ve emiş gücü eski Yunan’dan bilinen ahtapotların dokunaçlarından esinlenildi.

Bu yapışakları banyo perdesinin çengellerini fayanslara tutturmak, bazı mutfak cihazlarının yerinden oynamamsı için ve duştaki lastik paspasların kaymasını engellemek için düzgün yüzeylere yapıştırmada veya oyuncak okların ucunda kullanıyoruz. Ancak, bu pedler nasıl yapışıyor?

Eğer bir yapışan pede yakından bakarsanız, hafifçe kıvrık olduğunu fark edeceksiniz. Bu eğrilik, onun yapışkanlık gücü için önemli mi? Neden kullanmadan önce bu pedleri neden ıslatmalıyız? Hadi araştıralım.

Malzemeler

  • 4 yapışkan ped (onlara bir ip bağlayabileceğinizden emin olun)
  • Küçük bir oyma testeresi
Bir oyma testere
EddWestmacott / iStockphoto
izniyle
  • 3-4 cm çapında, 50 cm bir çubuk (öğrenciler parmaklarını onun etrafında kolaylıkla kavuşturabilmeli)
  • Dört tane 50 cm uzunluğunda güçlü ip
  • Makas
  • Bir plastik levha (yaklaşık 1 x 1 m)
  • Yazısı çıkmayan işaret kalemi

Yöntem

  1. Testereyi kullanarak levha çubuk üzerinde eşit mesafeli dört tane oyuk açın.
  1. Dört adet yapışağı ipe bağlayın.
  1. İpin öteki uçlarını çubuk üzerindeki dört oyuğa bağlayın. İpin dört bölgesinin uzunluğunun tamamen aynı olduğundan emin olun.
  1. Yapışma aktivitesi için demo.
    Alternatif olarak, bir yapışak
    ve küçük bir parça levha
    kullanılabilir (resmin
    arkasına bakın)

    PHSt Archiv izniyle

    Plastik levhayı yere koyun ve yazısı çıkmayan işaret kalemini kullanarak yapışaklar için bir doğru boyunca dört çember çizin. Doğrunun her iki tarafı üzerinde kapladığı alanı çizin (sağdaki resme bakın).

  2. Çizilmiş bu dört çembere yapışakları koyarak baskı uygulayın.
  3. Plastik levhaya yapıştırmadan önce ıslattığınız yapışaklarla deneyi tekrarlayın. Ne gözlemliyorsunuz?
  4. Alanların üzerine baskı uygulayın ve çubuğu çekerek yapışakları plastikten ayırmaya çalışın.
  5. Plastik levhaya yapıştıkları zaman yapışakların eğimlerine ne oldu?

Tartışma

Yapışağı plastik levhaya bastırdığınız zaman yapışağın kavisini azaltırsınız. Böylece yapışak ve levha arasındaki boşluğun hacmini düşürüp yapışakla levha arasındaki havanın bir kısmının kaçmasına yol açarsınız. Basıncı uygulamayı durdurduğunuzda, elastik yapışak kendi orijinal eğri şeklini sürdürmeye eğilimlidir. Yapışak ve levha arasındaki boşluğun hacmi tekrar artar ancak içerde daha az hava vardır ve böylece daha düşük hava basıncı oluşur. Yapışağın dışındaki havanın yüksek basıncı yapışağı levhaya yapıştırmaya devam eden şeydir.

Yapışağın kuvvetini hesaplayabilirsiniz:

F = AP, burada F: kuvvet; A: alan; P: basınç.

Alan πr2 olup, burada r yapışağın yarıçapıdır. 100 000 Pa olan atmosferik basınçla kıyaslandığında, yapışak ve levha arasındaki iç boşluğun basıncı çok düşüktür. Böylece:

F = πr2 (100 000 Pa)

Yapışağın kendi kendine (ek güç uygulamaksızın) zamanla düşmesi yapışağın kenarlarının gözenekli, altındaki yüzeyin ise düz olup olmamasına bağlıdır. Bu durum havanın sızma hızıyla her iki taraftaki basıncın tekrar dengeye gelmesine yol açar.

Su, salya ve diğer sıvılar yapışağı daha hava geçirmez yaparlar ve hava sızışının daha az olmasını sağlarlar. Böylece, yüzeylere uygulanmadan önce yapışağı nemlendirirseniz daha sonra onu çıkartmak için daha fazla güç gerekecektir.

Kendi-kendini temizleme etkisi: doğada su geçirmezlik

Gübre böceği favori
eğlencesiyle meşgul olurken
bile lekesiz kalıyor

Vendys izniyle/ iStockphoto

Doğa bazı gerçek temizlik fanatiklerine sahiptir. Örneğin gübre böcekleri gübreyi yuvarlarken oldukça temiz görünürler ve nadiren kirli bir kelebek veya yusufçuğa rastlarsınız. Bazı bitkiler kirleri atmada çok başarılıdır. Örneğin, Hint nilüferi çamurlu sularda yetişir ancak kir onun yapraklarına asla yapışamaz. Budizimde nilüfer aslında saflığın sembolüdür. Bu nilüfer etkisini evin yakınında da bulabilirsiniz. Latin çiçeği’nin yaprakları ve çiçekleri yenmek hatta yıkanmadan yenmek için yeterince temiz görünür (her ihtimale karşı yine de yıkayıp durulayın). Bunu sabunsuz nasıl başarıyorlar?

İnsanlar bu kendi-kendini temizleme etkisini birçok amaç için taklit ediyorlar. Örneğin; kendi-kendini temizleyen plastikler, çatı kiremitleri, pencere camları, seramikler, levha ve araba cilaları, yüzey boyaları. Özel bir sprey emdirmeyle, kir tutmaz elbiseler de yaratabilirsiniz.

Bu nasıl çalışıyor? Hadi bulalım.

Malzemeler

  • Kendi-kendini temizleme özelliklerine sahip bitkilerin farklı kısımları. Örneğin; latin çiçeği (Tropaelum majus) yaprakları, nilüfer (Nelumbo nucifera) yaprakları, lahana (Brassica oleracea) yaprakları ve lale (Tulipa spp.) yaprakları
  • Su çeken yaprakları olan bitkilerin farklı kısımları. Örneğin; kayın ağacının (Fagus sylvatica) yaprakları veya Güney manolyası (Magnolia grandiflora)
  • Su, akıcı bal ve/veya sıvı tutkal
  • Bir pastor pipeti, ampül ve birkaç küçük kaşık
  • Ketçap, toz tarçın ve kimyon
  • Gazete, kâğıt havlu ve kumaşlar
  • Emdirme sprey (örneğin; su geçirmez süet), kendi-kendini temizleyen nano bazlı yüzey boyası, tahta levha veya cam için nano kaplama
  • İsteğe bağlı: nano kaplı bir çatı kiremiti

Prosedür

  1. Kendi-kendini temizleyen bitkileri su, bal veya uhuyla ıslatın ve ketçap, tarçın veya kimyonla kaplayın (kirliliği taklit etmek için). Ne gözlemliyorsunuz?
  2. Su emici yapraklarla deneyi tekrarlayın. Ne gözlemliyorsunuz?
  3. Şimdi yapay malzemelerin kendi-kendini temizleme özelliklerini inceleyin. Spreyi kumaşlara, kağıt havlu ve gazeteye farklı tip nano kaplama uygulamalarıyla püskürtün (örneğin; sprey, boya veya nano kaplama emdirin). Farklı malzemeler üzerindeki aynı uygulamayı veya aynı malzeme üzerindeki farklı uygulamaları kıyaslayın.
  4. Bu ve diğer nano kaplı malzemeleri (örneğin döşemeleri) ıslatarak ve kirleterek deneyi tekrarlayın. Ne gözlemliyorsunuz?

 

Güvenlik notu

Bazı öğrenciler bazı bitkilere veya polen gibi bitki kısımlarına alerjik olabilirler. Nano kaplayıcı, emdirici sprey vb. kullanırken paketteki talimatları dikkatlice okuyunuz. Eldiven kullanımı veya iyi havalandırılan alan gerekebilir. Ayrıca genel güvenlik notlarına bakınız.

 

300x (üst), 2500x (orta) ve
3000x (alt) büyütmedeki
taramalı elektron mikroskobu
resimleri pirinç yaprağının
yüzeyinde latin çiçeği ve
nilüfer yapraklarındakine
benzer balmumu yapılarını
göstermektedir. İlk resim
stomalar arasındaki
balmumu kabarcıklarını
göstermektedir; ikinci resim
bir stomaya yakından bakışı
gösteriyor; üçüncü resim
yaprağın yüzeyindeki papillar
yapıyı ve balmumu yapıların
ince detaylarını
göstermektedir

Sarah Perfect / Syngenta izniyle

Tartışma

Bir nilüfer yaprağının üzerine su veya bal dökerseniz çok hızlıca akıp gidecektir. Taramalı elektron mikroskobunun altından yakın bir bakış bunun nedenini ortaya çıkar. Bu yüzeyde çok sayıda bulunan balmumu kaplı küçük kabarcıklar bulunur. Bu kabarcıklar yaklaşık 10-20 µm yüksekliğinde olup, ikisi arasındaki mesafe 10-15 µm civarındadır.

Yüzeydeki bir su damlasının
temas açısı Θ

Kamuya açık resim; resim
kaynağı: Wikimedia Commons

Bu yapı nilüfer yaprağının temiz kalmasına nasıl yardımcı oluyor? Öncelikle, nilüfer yaprağının yüzeyi su geçirmezdir. Yüzeyin su geçirmezliği yüzeyle su damlasının arasındaki temas açısıyla ölçülebilir. Temas açısı ne kadar yüksekse yüzey o kadar fazla su geçirmezdir (sağdaki resme bakınız). 90°’den daha küçük temas açılı yüzeyler su emen (‘su seven’), 90°’den büyük açılı yüzeyler su geçirmezdir. Süper su geçirmezlik larak bilinen bazı bitkiler, yaprağın yüzeyiyle damlaların yüzeyi arasında sadece %2-3 temas olacak şekilde 160°’ye varan açı ile temas kurulur. Ancak nilüfer yaprağı sadece süper su geçirmezlik özelliğine sahip olmayıp, aynı zamanda sözü edilen balmumu tümsekleri ile kaplıdır. Bunlar su damlasının temas yüzeyini azaltır (damlanın tümseğin üzerindeki bir noktada oturduğunu hayal edin). Sonuçta damla yaprağa zar zor dokunur (sadece %0.6 yüzey teması) ve kolayca akıp gider.

Bir yüzeydeki sıvı
damlalarının farklı
hidrofobikliklerinin gösterimi

Resim MesserWoland’ın izniyle;
resim kaynağı: Wikimedia
Commons

Suyun nasıl akıp gittiğini gördük. Fakat yapraklar kir partiküllerinden nasıl kurtulurlar? Bitkilerin çoğu inorganik (toz veya is) veya biyolojik kökenli (mantar sporları, konidiyum, tatlı özsu veya yosun gibi) çeşitli kirleticilere maruz kalırlar. Nilüfer yaprakları gibi ıslanmayan yaprakların üzerindeki bu durum sadece suyun yüzeydeki azaltılan yapışmasını değil kirin de su tarafından kolayca temizlenmesini sağlar. Bu göründüğü kadar açık değildir. Su çeken ve su geçirmeyen olmak üzere iki farklı kir partikülü vardır. Mil gibi su çeken partiküller su damlası içinde hapsedilir ve tekrar kaçamaz. Damlaların partikülleri hapsettiği ve böylece temizlendiği yaprakların üzerindeki izlerden görünür.

Süperhidrofobik bir yüzeyin
üstündeki bir damla
neredeyse küreseldir ve çok
düşük bir temas açısına
sahiptir

Kamuya açık resim; resim
kaynağı: Wikimedia Commons

Fakat ya su geçirmez partiküller? Onların su geçirmez yaprak yüzeylerine yapışmasını beklersiniz ancak gerçekte bir su damlası bu partikülleri de yıkayıp uzaklaştırır. Bu nasıl gerçekleşir? Partiküller sadece balmumu yapıların ucuna dokunur ve bu temas yüzeyi çok küçük olduğundan partikülle yaprak arasındaki yapıştırıcı güç de zayıftır. Bu güç çok küçük olduğundan, su geçirmez partikülle su arasındaki zayıf birleştirici güç bile oldukça kuvvetlidir. Böylece damla içindeki su emen partikülün aksine, su geçirmeyen partikül damlanın yüzeyine yapışır. Ancak, son etki aynı olup, bitkiden temizlenmekle sonuçlanır.

Süper su geçirmezlik nilüfer bitkilerine sınırlı değildir. Diğer bitkiler de, yapraklarındaki kıl kümeleri sayesinde kendi-kendini temizleme özelliklerine sahiptir. Kelebekler kanatları yukarı veya aşağı konumda olsalar bile, direkt yağmur damlalarını böceğin vücudundan uzak tutan küçük yapılara vardır. Gübre böceklerinin dış yüzeyleri geometrik su geçirmeyen yapılara sahiptir.

Kelebek kanadına yakın bakış
Resim Sebastian’ın izniyle;
resim kaynağı: Flickr

Bu kendi-kendini temizleyen yüzeylerin avantajı nedir? Hareketsiz bitkilerin kendilerini mantar, bakteri veya alg gibi mikroorganizmalara karşı korumaları için bir savunma yoludur. Çoğu bitki bu düşmanlara karşı kimyasal yollarla çeşitli ikincil metabolitler aracılığı ile savaşır, fakat mikroorganizmaların taşınması ve bu yüzeylere yapışmasının fiziksel olarak engellenmesi en etkili ilk korunma basamağadır. Ayrıca, yaprakların kirle kaplanması yaprak yüzeyinin ışıkla temasını azaltacak ve fotosentez verimini düşürecektir. Kelebeklerin kanatlarının kendi-kendini temizlemesi suyun bağlanmamasını sağlar ve böylece kanatlar kelebeğin uçmasını engelleyecek kadar ağır hale gelmezler.

İnsanlar bu su geçirmezliği taklit etmeye çalışan pek çok çeşit teknoloji geliştiriyor. Örneğin emdirici spreyler materyalleri balmumu gibi kaplayarak onları su geçirmez hale getiriyor. Bazı dış cephe boyaları için daha da ileri gidilerek onların kuruduktan sonar küçük kabarcıklar oluşturuyorlar. Bu kabarcıklar nilüferlerin balmumlu yapıları gibi su geçirmediğinden sonuçta boyanan yüzeyler super su geçirmez olur.

Tavuskuşu kanadını
oluşturan dakika skalasının
taramalı elektron mikrografı
(50x büyütme)

SecretDisc’ın izniyle; resim
kaynağı: Wikimedia Commons

Teşekkür

Bu makaledeki iki aktivite biyoloji öğretmenleri olmak için yetiştirilen Karl-Franzens-Universität Graz’ın öğrencileri için Astrid Wonisch tarafından çalışma atölyesi bağlamında geliştirildi ve 2008’deki Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen fuarına dahil edildi.

Biyoloji öğrencileri Steffen Böhm ve Karin Edlinger BG / BRG Petersgasse, Graz, ortaokulunda 7. ve 8. sınıflarda (17-19 yaş), biyomimetik sınıfından karma öğrencilerle bir başka ortaokulun bilim ve matematik odaklı okulun biyoloji öğretmenleri Renate Rovan ve Ruth Unger ile “Düz yüzeylerdeki yapışma: negatif basınç” üzerinde birlikte çalıştılar.

Biyoloji öğrencileri Anna Freudenschuss ve Ingo Fuchs BG / BRG Fürstenfeld, Fürstenfeld 4. sınıftaki öğrencilerle (14-15 yaş) birlikte “Kendi-kendini temizleme etkisi: doğadaki su geçirmezlik” üzerinde çalıştılar.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – University of Teacher Education Styria hakkında daha fazla bilgi için bakınız: www.phst.at

Resources

Author(s)

Dr Astrid Wonisch, Avusturya’da Karl-Franzens-Universität Graz’da bitki fizyolojisi öğretmektedir. Üniversitenin biyoloji ve çevre bilimleri öğretim merkezinin başıdır ve biyoloji öğretmeni olmak için okuyan öğrencilerle çalışmaktadır.

Margit Delefant, Avusturya Styria’da biyoloji ve çevre bilimleri bölgesel öğretim merkezinin müdürüdür. Zamanını BG / BRG Fürstenfeld ortaokulunda öğretimenlik ve Karl-Franzens-Universität Graz’da geleceğin biyoloji öğretmenlerini yetiştirmeye ayırmaktadır.

Dr Marlene Rau Almanya’da doğdu ve İspanya’da büyüdü. Almanya Heidelberg’de Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuarı’ndan gelişim biyolojisi üzerine doktorasını aldıktan sonar, gazetecilik üzerine eğitim aldı ve bilim iletişimine yöneldi. 2008’de Science in School‘un editörlerinden biri oldu.


Review

İçine gömülün! Veya öğrencilerinize makaledeki aktivitelerin içine gömülme fırsatı verin.

Ağaç kurbağalarının ayaklarının ve ahtapot kollarının yapışkanlığı, öğrencileri yapışakların (vakumlu ped) nasıl çalıştığını keşfetmeleri için teşvik etmektedir. Genç öğrenciler kendi ayakları etrafında çizgi çizip, yapışakların çıkartılırken çıkardıkları sesten büyük keyif alacaklardır. Daha büyük yaştaki öğrenciler fiziği takdir edip, çeşitli hesaplamalarla neler olduğunu açıklayabilirler.

Balın yapışkanlığı, ketçap, tarçın ve kimyon için olduğu gibi ikinci aktivitede kendini gösteriyor. Birşeyin yapışmadığı nilüfer yaprakları ve latin çiçeklerinin incelenmesi, kendi-kendini temizleyen yeni sıvıların araştırılmasına yöneltmektedir. Bu, bazı ilginç tartışmalara yol açtığı gibi genç öğrenciler için basit görevlerden (suyun yapraklardan akıp gitmesi), büyük öğrenciler için spreylerle çalışmak ve taramalı elektron mikrograflarla olayı açıklamak gibi daha detaylı pratik işlere de neden olur.

İlk aktivite fiziği (basınç) ve ikinci aktivite kimyayı (yüzey etkileşimleri) kapsayıp, her ikisi de biyolojiye bağlanmakta ve öğrenciler tarafından daha ileriye götürülüp araştırılabilmektedir. Farklı bitkilerden yapraklar kullanılırsa işin içine taksonomi (sınıflandırma) da dahil edilebilir.

Aktivitelerden sonra öğrencilerinize sorabileceğiniz sorular için bazı öneriler buradadır:

  1. Bir yapışağın (vakumlu ped) bir yüzeye bastırılmasından önce ve sonraki diyagramını çizerek gösterin. Yüksek, düşük ve eşit basınçlı alanları göstererek açıklayın.
  2. Makale size kuvvet = alan x basınç ilşkisini hatırlatıyor. Bir yapışağın gücünü hesaplamak için bu formül kullanılır. Bu eşitliğin kullanılabileceği başka durumlar düşünebiliyor musunuz?
  3. Yapışakla banyo fayansına yapıştırılmış bir banyo tepsisi düştüğü zaman çok can sıkıcıdır (ve gürültülüdür). Yapışağın düşmesine ve kazaya yol açmasına neyin sebep olmuş olabileceğini açıklayınız.
  4. Makalede gübre böceklerinin gübreyi yuvarladığından bahsediliyor. Gübre böcekleri gübrenin içinde ne yapıyor olabilir ve neden gübreyi yuvarlıyorlar? Bu biraz araştırma gerektirebilir!
  5. İkinci ana aktivitedeki tartışmada bir taramalı elektron mikroskobundan bahsedildi. Taramalı elektron mikroskobu nedir? Geçirimli (transmisyon) elektron mikroskobundan nasıl farklıdır?
  6. Nilüfer yaprağındaki kabarcıkların yüksekliği 20 mikrometreye (µm) ulaşmaktadır. Bu yüksekliği a) nanometre (nm) ve b) milimetre (mm) cinsinden ifade edin.
  7. Kendi kelimelerinizle aşağıdaki terimlerin ne anlama geldiklerini açıklayın:
    • Hidrofobik (su geçirmezlik)
    • Hidrofilik (su emici)
    • Yüzey gerilimi
    • Kirletici
    • İnorganik

Bir veya her iki aktivite için öğrencileriniz risk tespiti yapmalıdır. Bazı ülkeler bunları zorunlu tutmaktadır. Risk tespiti sağlamak öğretmenin görevi olmasına rağmen, öğrencilerin kendi risk değerlendirmelerini yaparak tehlikelerle karşılaştıklarında ne yapacaklarını bilmelerinin daha güvenli bir yol olacağı düşünülmektedir. Herhangi geçerli bir cevap veya alternatif cevaplar kabul edilebileceği gibi, aşağıda bazı önerilen cevaplar vardır. Bazı aktiviteler için kaza olasılığı öğrencilerin yaşlarına göre değişebilir.


Sue Howarth, UK




License

CC-BY-NC-SA