Bir mühendis yeni bir metal alaşımı veya nano-parçacık ürettiğinde, çıplak gözle baktığında gördüğü şey genellikle sadece gri bir tozdur. Ancak o tozun içinde, malzemenin kaderini belirleyen milyarlarca atomluk bir dünya saklıdır. Atomların nasıl dizildiği, yüzeyin ne kadar pürüzlü olduğu veya içinde hangi elementlerin bulunduğu, malzemenin uçak kanadı mı olacağını yoksa çöpe mi gideceğini belirler.
Bu mikro ve nano dünyayı keşfetmek için bilim insanları ışık mikroskoplarının yetmediği yerde iki süper kahramana başvurur: SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ve XRD (X-Işını Kırınımı). Bu yazımızda, malzeme karakterizasyonunun bu iki devini, nasıl çalıştıklarını ve bize neler anlattıklarını detaylıca inceliyoruz.
Sıradan bir mikroskop nesneleri büyütmek için ışığı ve cam mercekleri kullanır. Ancak ışığın bir sınırı vardır; belirli bir boyuttan (yaklaşık 200 nanometre) küçük nesneleri ışıkla göremezsiniz. SEM, ışık yerine elektronları kullanır.
SEM, numunenin üzerine çok ince ve yüksek enerjili bir elektron demeti gönderir. Bu elektronlar malzeme yüzeyine çarptığında, yüzeyden farklı sinyaller (ikincil elektronlar) yayılmasına neden olur. Bir dedektör bu sinyalleri toplar ve ekranda siyah-beyaz, 3 boyutlu gibi görünen muazzam detaylı bir görüntü oluşturur.
Topografya ve Morfoloji: Malzemenin yüzeyi pürüzlü mü? Gözenekli mi? Parçacıklar küresel mi yoksa çubuk şeklinde mi? SEM, bir sineğin gözündeki petekleri veya bir metaldeki mikro çatlakları net bir şekilde gösterir.
Kimyasal Analiz (EDS/EDX): Çoğu SEM cihazında bulunan EDS dedektörü sayesinde, görüntüsünü aldığınız o minik noktanın hangi elementlerden oluştuğunu (Örneğin: %80 Titanyum, %20 Alüminyum) saniyeler içinde öğrenebilirsiniz.
SEM bize malzemenin dış görünüşünü (şeklini) gösterirken, XRD malzemenin iç dünyasını (kimliğini) ortaya çıkarır. Bir malzemenin elmas mı yoksa sadece grafit mi olduğunu SEM ile anlayamazsınız, çünkü ikisi de karbondur. Bunu size söyleyecek olan XRD'dir.
Her kristal malzemenin (metaller, seramikler, mineraller) atomları belirli bir düzen içinde dizilmiştir. XRD cihazı, numunenin üzerine X-ışınları gönderir. Bu ışınlar atom tabakalarına çarpar ve belirli açılarda kırılarak yansır. Her malzemenin atom dizilimi farklı olduğu için, ışınları kırma açısı da farklıdır.
Faz Tanımlama (Kimlik Tespiti): XRD cihazı bize bir grafik (pikler) verir. Bu grafik, malzemenin parmak izidir. Veritabanındaki binlerce kayıtla karşılaştırılarak malzemenin tam olarak ne olduğu (örneğin Titanyum Dioksit'in Rutil fazı mı yoksa Anataz fazı mı olduğu) belirlenir.
Kristalinite: Malzemenin ne kadar düzenli bir kristal yapıya sahip olduğu veya amorf (düzenli yapısı olmayan, cam gibi) olup olmadığı anlaşılır.
Tane Boyutu ve Gerilme: Atomik düzeydeki sıkışmalar veya genişlemeler hesaplanabilir.
Bu iki cihaz genellikle birbirini tamamlar ancak cevapladıkları sorular farklıdır:
Soru: "Bu tozun tanecikleri yuvarlak mı yoksa köşeli mi?"
Cevap: SEM (Görüntüleme).
Soru: "Bu tozun içinde hangi elementler var?"
Cevap: SEM-EDS (Elemental Analiz).
Soru: "Bu tozun kimyasal bileşiği tam olarak nedir? (Örn: Demir Oksit mi, Demir Karbür mü?)"
Cevap: XRD (Faz Analizi).
Bu test yöntemleri sadece üniversite laboratuvarlarında değil, dev fabrikaların kalite kontrol birimlerinde de 7/24 çalışır.
Nanoteknoloji: Üretilen nanotüplerin çapını ölçmek için SEM şarttır.
İlaç Sanayi: İlacın içindeki etken maddenin doğru kristal formda olup olmadığını anlamak için XRD kullanılır (Yanlış form, ilacın vücutta çözünmemesine neden olabilir).
Metalurji: Bir metal parça kırıldığında, kırılmanın nedenini (metal yorgunluğu mu, darbe mi?) anlamak için kırık yüzey SEM ile incelenir.
Madencilik: Çıkarılan kayacın içinde hangi değerli minerallerin olduğunu anlamak için XRD kullanılır.
İleri malzemeler dünyasında "tahmin etme" lüksü yoktur. Bir uçak motoru parçasının veya vücuda takılan bir implantın özelliklerinden %100 emin olmak zorundasınız. SEM ve XRD, mühendislere atomik dünyanın kapılarını açarak, malzemenin hem yüzeyini hem de ruhunu (kristal yapısını) görmemizi sağlar. Teknoloji küçüldükçe, bu dev mikroskopların önemi daha da büyümektedir.
