Dr. Morris Cohen
Enstitü Profesörü ve Ford Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü
Massachusetts Institute of Technology
Cambridge, Mass. 02139
Burada iki geniş amaçla ilgileneceğiz: (a) yüzyıllar boyunca geliştiği şekliyle insan ile malzemeleri arasındaki ortaklığı aydınlatmak ve (b) bilimin ve mühendisliğin aracılığıyla, toplumun malzemelerin anlaşılması ve kullanılmasına yönelik entelektüel yaklaşımını vurgulamak.
Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Tanımı
Bu çalışma için iki temel tanıma ihtiyacımız vardır: Malzemeler, insanın yapılar, makineler, aygıtlar ve sayısız ürün yapmak için kullandığı, evrendeki maddenin bir bölümüdür.
Malzeme bilimi ve mühendisliği (MSE), malzemelerin bileşimi, yapısı ve işlenmesi ile bunların özellikleri ve kullanımları arasındaki ilişkilere dair bilginin geliştirilmesini ve uygulanmasını kapsar. MSE’nin tutarlı bir alan olarak tekil biçimde anılması önemlidir; bilim ve mühendislik olarak iki ayrı alana uygun biçimde ayrıştırılamaz. Elbette bu yelpazenin bazı bölümleri daha dar bakıldığında bilimin baskın olduğu, diğer bölümleri ise buna karşılık mühendisliğin baskın olduğu alanlar olarak görülebilir.
Tarihte Malzemeler
Malzemeler, insanın büyük evrimsel düzen içindeki ortaya çıkışından bu yana varlığına ve gelişimine dâhil olmuştur. Kuşkusuz odun, taş, kabuklar, kemik, postlar ve doğal liflerin kullanımı, insanın hayvansılıktan insanlığa yükselişinde büyük rol oynamıştır. İlkel insan, doğada bulunan bu tür malzemelerin gereçlere, süs eşyalarına, barınaklara, giysilere, hatta aletlere ve silahlara dönüştürülebileceğini yavaş yavaş fark etmiştir. Günümüzde kil olarak bilinen yumuşak ve şekillendirilebilir bir çamurun, yalnızca ısıtılarak güçlü ve rijit hâle getirilebildiğini ilk kez öğrendiğinde düşünen insan üzerindeki olası etkiyi hayal etmek mümkündür. Bu, özünde, yiyeceklerin pişirilmesine oldukça benzer, yeni bir tür malzeme işleme biçimiydi. Bu olayla—kilin tesadüfen pişirilmesiyle—çok güçlü bir kavrayışın doğuşu gerçekleşti; yani doğanın verdiği malzemelerin, insanın kendisi tarafından kendi amaçları doğrultusunda bilinçli biçimde değiştirilebileceği ve iyileştirilebileceği fikri. Gerçekten de böylece, malzemeler aracılığıyla insan ile çevresi arasında yeni bir ortaklık doğmuş oldu!
"Toplum, büyüyen bilgi birikimini, insan zihninin doğayı daha derinlemesine anlamaya sürekli teşvik edileceği şekilde kaçınılmaz olarak yapılandıracaktır."
Deniz Araştırmaları Ofisi’nin 30. Yıldönümü vesilesiyle, Boston, Mass.’ta düzenlenen Uluslararası Malzemeler Konferansı’nda verilen bir derse dayanmaktadır; Naval Research Reviews, Ekim 1978’den izinle yeniden basılmıştır.
Malzemelerin İnsanlık Tarihi Üzerindeki Derin Etkisi
Tarih, malzemelerin toplumsal değişimi derinden etkilediği ve böylece toplumun malzemelere daha da fazla bağımlı hâle gelmesine yol açtığı pek çok yolu kaydeder. En erken ticaret merkezleri muhtemelen yerel bölgelerde çakmaktaşının bulunabilirliğine dayanıyordu. Bu malzeme, bıçaklara, el baltalarına ve mızrak uçlarına yontulabilecek kadar gevrek, aynı zamanda diğer malzemeleri kesmek, doğramak ve delmek için yeterince sert ve dayanıklıydı. Ticaret merkezleri, insan yerleşimi ve kültürel etkileşimler için bir ortam sağladı; hatta tarımın kökenine bile katkıda bulunmuş olabilir.
Açıkça görülmektedir ki, ticaretin ve daha sonra devletin yükselişi, kayıt tutma gereksinimini teşvik etmiştir. Eldeki malzemeler, gelişen yazının biçimini ve dolayısıyla yerel kültürü etkilemiştir. Dicle–Fırat Vadisi’nin Sümerleri, kırtasiye olarak kullanılabilecek bol miktarda kile sahipti ve bu nedenle yazı kazımak için kullanılan keskin ve rijit kalem, ortaya çıkan basit kama biçimli çivi yazısı karakterlerini tercih edilir kılmıştır. Buna karşılık Mısırlılar, papirüs kamışları biçiminde esnek liflere sahipti; bunlar bir yazı yüzeyi hâline getirilebiliyor ve yakın çevredeki bitkilerden elde edilen renkli sıvılarla fırçalar kullanılarak yazılabiliyordu. Bu koşullar, görece karmaşık bir hiyeroglif yazı biçiminin gelişmesine olanak tanımıştır.
Benzer şekilde, mevcut malzemelerdeki baskın farklılıklar, iki bölgenin kerpiç tuğla ve kesme taş mimarileri arasındaki karşıtlığı da açıklamaktadır.
Demir ve Çelik: “Demokratik” Metal
Malzemeler ile toplum arasındaki etkileşime bir başka örnek vermek gerekirse, yaklaşık MÖ 1200’den itibaren bakır ve bronzun yerine demir ve çeliğin geçmesi, toplumsal kurumlarda geniş kapsamlı değişikliklere yol açmıştır. Demirin göreli bolluğu, daha sınırlı olan bakırda olduğu gibi, yönetici grupların dağıtımı denetlemesini olanaksız kılmıştır. Bir anlamda demir, “demokratik metal” hâline gelmiştir; çünkü aletlerde, ev eşyalarında, tarım gereçlerinde ve silahlarda yaygın kullanımı sayesinde sıradan insanın yaşam standartlarını yükseltmiştir. Geçimini sağlayabilen ve toplumun ilerlemesine yeni beceriler katabilen yeni zanaatkârlar ortaya çıkmıştır. Taş yontma için keski, boncuk yapımı için matkap, para basımı için kalıp kullanılabilir hâle gelmiş; ardından demir ve çelikten makinelerin yapılmasıyla üretkenlikte muazzam bir sıçrama yaşanmıştır. Savaşın dinamikleri bile, tüm piyade askerlerinin “demokratik metal”den yapılmış silah ve kalkanlarla donatılabilmesiyle dramatik biçimde değişmiştir; Bronz Çağı’nda ordularda yalnızca seçkin birkaç kişi metal silah ve zırhın sağladığı avantajdan yararlanabiliyordu.
Böylece, uygarlık çağları boyunca toplumun malzemelere olan bağımlılığı kaçınılmaz olarak daha güçlü ve yaygın hâle gelmiştir—ticaret ve imalat için, yaşam standartları için, ulusal güvenlik ve esenlik için ve insanlığın sermaye birikimini artırmak için. Az ya da çok, bu malzeme–insanlık bağlantısı yaklaşık yüz bin yıldır evrim geçirmektedir. Ancak son birkaç on yılda toplum, malzemelere keskin biçimde farklı bir gözle bakmaya başlamıştır. Tarihin arka planına karşı değerlendirildiğinde, bu yakın dönem değişimi neredeyse süreksiz görünmektedir.
Küresel Malzemeler Döngüsü
Malzemeler alanında iki yeni sistem kavramı ortaya çıkmıştır. Malzemeler artık, gıda, enerji, yaşam alanı, bilgi ve insan gücü gibi diğer temel kaynaklarla birlikte, dünya ekonomileri ve ulusları birbirine bağlayan dokuların başlıcalarından biri olarak kabul edilmektedir. Bu devasa malzeme karmaşası, küresel malzemeler döngüsü olarak adlandırılmaktadır. Bu döngü, insanlığı ve hükümetleri doğanın maddesel içeriğine doğrudan bağlar.
Aynı zamanda, bilgiyi malzeme bilimi ve mühendisliği yönünde hizalayan güçlü entelektüel ve toplumsal güçler de etkindir. Ortaya çıkan çok disiplinli MSE, maddenin daha derin içgörülerini arama ve bu bilgiyi toplumsal ilerleme için seferber etme yönündeki büyük insanlık serüvenini bir araya getirir. En geniş boyutlarıyla MSE, malzemeler döngüsünün üzerine yerleşen bir disiplinler sistemi oluşturur.
Malzemeler Döngüsünün Özellikleri
Bir malzemeler döngüsü vardır. Oldukça basitleştirilmiş hâliyle şöyledir: Hammaddeler, madencilik, sondaj ve hasat yoluyla yerden alınır. Bu malzemeler (cevherler ve mineraller, kömür, ham petrol ve doğal gaz, kaya, kum, kereste, ham kauçuk vb.) kütlesel malzemelere (metaller, kimyasallar, çimento, kereste, lifler, hamur, kauçuk, elektronik kristaller vb.) dönüştürülür. Daha sonra mühendislik malzemelerine (alaşımlar, seramikler ve cam, dielektrikler ve yarı iletkenler, plastikler ve elastomerler, beton, yapı levhaları, kâğıt, kompozitler vb.) rafine edilir. Ardından mühendislik malzemeleri, toplumun kullanımına yönelik yapılar, makineler, aygıtlar ve diğer ürünler hâline getirilir ve birleştirilir. Bu malzemeler çeşitli uygulamalarda görevlerini yerine getirdikten sonra atılır ve ya geri dönüşüm yoluyla tekrar tekrar devreye girer ya da geldikleri yere, yani toprağa geri döner. Bu bakış açısında malzemeler döngüsü, beşikten mezara kapalı bir sistemdir.
Miktar
Malzemeler döngüsü devasa bir girişimdir. Dünya genelinde her yıl yaklaşık 15 × 10⁹ ton hammadde üretilmekte olup, bunun yaklaşık üçte biri Amerika Birleşik Devletleri’nde tüketilmektedir. Kabaca, bu inanılmaz hacmin %50–60’ı yakıt dışı malzemeler (metal malzemeler, metal olmayan inorganik malzemeler ve organik (gıda dışı) malzemeler) biçimindedir; %40–50’si ise yakıt malzemeleri (petrol, doğal gaz ve kömür) biçimindedir. Amerika Birleşik Devletleri yalnızca net bir hammadde ithalatçısı olmakla kalmayıp, (a) net ithalatın ulusun toplam malzeme tüketimine oranı artmakta ve (b) hem nüfus hem de kişi başına hammadde kullanımı, ABD dışındaki bölgelerde ABD’nin içindekinden daha hızlı yükselmektedir. Dolayısıyla, malzemeler döngüsü açıkça dünyanın çoğu ülkesinin dış ilişkilerinde olduğu kadar iç işlerinde de birbirine bağlayıcı bir rol oynamaktadır.
Malzemeler döngüsü, elbette, devre üzerinde bir çekim etkisi oluşturan toplumsal talep tarafından yönlendirilir. Malzemelerin akışı, insanların ve kurumların ne için ödeme yapmaya istekli olduklarına bağlıdır; bu nedenle emek, enerji, sermaye maliyeti vb. biçimindeki değer artışları, malzemeler döngü boyunca ilerledikçe eklenir. Tablo 1, 1963 yılında dünya alüminyum üretimi için bu değer birikimini göstermektedir. Madencilik ürünü olan boksitin fiyatı (sütun 2, $8/ton), çeşitli işleme adımlarından geçerek dövme yarı mamuller ve dökümler hâline geldiğinde ($1000/ton) 125 kat artmaktadır. Ürün ağırlığı bu iki aşama arasında beşte bire düşerken (sütun 3), toplam ürün değeri (sütun 4) malzemeler döngüsünün bu bölümünde ilerlerken 25 kat artmaktadır. Sütun 5, ara adımların her birinde eklenen değeri göstermektedir. Aynı eğilimin bir başka örneğini belirtmek gerekirse,
Amerika Birleşik Devletleri’nde yılda tüketilen toplam hammaddeler (1974), GSYH’nin yaklaşık %5’ine karşılık gelmektedir; ancak mühendislik malzemeleri aşamasına kadar işlenmesi ve bunların imalatı, toplam değeri 4 kat artırmaktadır. Bu ülkedeki iş gücünün yaklaşık %20’sinin malzemeler döngüsünün bu bölümünde çalıştığı tahmin edilmektedir; bu durum, malzemelerin insan varoluşuna ve yaşam kalitesine ne ölçüde nüfuz ettiğine dair doğrudan bir kanıt sunmaktadır.
Güçlü Etkileşimler
Malzemeler döngüsünün neredeyse her noktasında, malzemeler, enerji ve çevre arasında güçlü etkileşimler vardır. Örneğin, rafine edilmiş bir ton bakır üretmek için gereken enerji, bakır cevherinin tenörüne bağlı olarak değişir. Mevcut madenler tükendikçe, elde edilen değerli ürün birimi başına daha büyük kaya ve gang miktarlarının işlenmesi için giderek daha fazla enerji harcanır. Aynı zamanda, reddedilen maddelerin bertaraf edilmesinde artan sorunlar ortaya çıkar ve bu da peyzaj üzerinde ek yükler oluşturur. Gerçekten de, hemen hemen tüm malzeme işleme süreçleri çevreyi bir şekilde etkiler ve malzemelerin döngü boyunca akışına toplumsal maliyetler ekler.
Dünya Alüminyum Üretimi
| Süreç | Ürün | Fiyat | Ton (M) | Değer ($M) | Değer Artışı ($M) |
|---|---|---|---|---|---|
| Madencilik | Boksit | $8/ton | 30 | 240 | 240 |
| Cevher Rafine Etme | Alümina | $75/ton | 12 | 900 | 660 |
| Ergitme ve Rafine Etme | Alüminyum Külçe | $450/ton | 6 | 2700 | 1800 |
| İmalat ve Döküm | Dövme Şekiller ve Dökümler | $1000/ton | 6 | 6000 | 3300 |
M = Milyon
Tablo 2. Belirli Malzemelerin Üretiminde Yıllık Tüketilen Enerji
| Malzeme | Yıllık Enerji (Milyar BTU) |
|---|---|
| Çelik slablar, gri dökme demir ve çelik dökümler | 3800 |
| Birincil alüminyum | 1100 |
| Portland çimentosu | 688 |
| Amonyak | 586 |
| Birincil bakır | 221 |
| Cam kaplar | 216 |
| Klor (gaz ve sıvı) | 199 |
| Sönmemiş kireç | 182 |
| Fosfor | 147 |
| Oksijen ve azot (gaz ve sıvı) | 111 |
| Kum, çakıl, kırma taş | 104 |
| Birincil çinko | 92 |
| Toplam | 7446 |
Malzemeler ile enerji arasındaki yakın etkileşim, özellikle ABD ekonomisinde belirgindir. Amerikan sanayisi tarafından tüketilen enerjinin yaklaşık üçte biri, malzemelerin üretimi ve imalatında onlara eklenen değere gitmektedir. Amerika Birleşik Devletleri’ndeki birincil malzemeler endüstrileri arasında enerjinin en büyük on iki tüketicisinden olan alüminyum ve bakır, elektriksel süreçler içerir ve enerji yoğundur. Kum, çakıl ve taş gibi malzemeler düşük enerji yoğunluğuna sahiptir; ana hammaddelerin nihai kullanım için mühendislik malzemelerine dönüştürülmesi görece az işlem gerektirir. Çelik orta düzeyde enerji yoğunluğuna sahiptir; ancak büyük tonajı, onu toplam enerji tüketicisi olarak Tablo 2’nin başına yerleştirir.
Öte yandan, enerjinin en başta kullanılabilir hâle getirilmesi için de malzemeler hayati öneme sahiptir. Enerji üretimi için yakıt malzemelerinin açık vazgeçilmezliğine ek olarak, ileri enerji dönüşüm teknolojilerinin neredeyse tamamının günümüzde verimlilik, güvenilirlik, güvenlik ve maliyet etkinliği açısından malzemeler tarafından sınırlandığı görülür; bu kategoriye gaz türbinleri, nükleer reaktörler, güneş enerjisi, manyetohidrodinamik, kömür dönüşümü, yüksek enerji yoğunluklu piller ve yakıt hücreleri dahildir.
Malzemeler döngüsü, döngünün çeşitli noktalarında malzeme bulunabilirliğindeki bozulmalarla başa çıkmak için analitik bir çerçeve de sunar; ister dünya ölçeğinde, ister bir ülke, bir endüstri, bir şirket ya da bir fabrika bağlamında olsun. Döngünün herhangi bir yerindeki malzeme akışı, devrenin diğer kısımlarında alınan ekonomik (örneğin karteller), politik (örneğin ambargolar) ve toplumsal kararlar (örneğin çevresel kısıtlar) karşısında hassas olabilir. Malzeme kıtlıkları, bu bağlamda incelendiğinde, genellikle yerkabuğundaki azlıktan değil, döngüdeki aksaklıklardan kaynaklandığı görülür; bu aksaklıklar, malzemelerin beklenen miktarlarda ve makul fiyatlarla herhangi bir noktaya ulaşmasını engeller. Örneğin, kıtlıklar, dünyanın söz konusu malzemeden tükenmesi nedeniyle değil, döngünün bir yerinde belirli bir işleme ya da taşıma kapasitesinin yetersiz hâle gelmesi nedeniyle ortaya çıkabilir.
Metaller ve Yerkabuğundaki Bollukları
Dünya malzemeleri tablosuna bir başka bakış açısı da, çeşitli metallerin yıllık üretiminin yerkabuğundaki bolluklarıyla karşılaştırılarak çizilmesidir. Herhangi bir genel planlama ya da yönlendirme olmaksızın, toplum, yerkabuğunda daha yaygın bulunan metallerden daha fazlasını üretme (ve kullanma) eğiliminde olmuştur; bunun tersi de geçerlidir. Metaller, mutlak tonajlar birçok mertebe farklılık gösterse bile, kendi bolluklarıyla orantılı olarak yılda aynı hızda üretilmektedir.
Söylemeye gerek yok ki, malzemeler döngüsünün tüm bu tezahürleri, hem sanayileşmiş hem de gelişmekte olan ülkelerde ulusal malzeme politikalarının evrimi üzerinde doğrudan etkiye sahip olacaktır; zira doğası gereği malzemeler döngüsü, malzeme alanının arz ve talep kesimlerini iç içe geçirir. Döngü etrafındaki malzeme akışı, malzemeler alanının dışındaki olaylar tarafından ciddi ve öngörülemez biçimde bozulabilse de, uygun karşı önlemlere hazırlanmak için malzemeler döngüsü içinde senaryolar geliştirilebilir. Bu olanaklardan bazıları stoklama, geri dönüşüm ve ikamedir.
Malzeme bilimi ve mühendisliğini (MSE) ve bir bilgi ve araştırma bütünü olarak malzemeler döngüsüyle ilişkisini daha önce tanımladık. MSE’nin merkezi teması, malzemelerin mikroskobik ölçekteki yapısını makroskobik özellikleriyle ve ardından hizmetteki nihai performanslarıyla ilişkilendirmek ve bu bilgi yelpazesini, maliyet etkin uygulama için malzeme işleme ve imalatı bağlamında topluma anlamlı kılmaktır.
MSE, işlevsel olarak, temel araştırma ve temel bilimi insan gereksinimlerine ve toplumun çekim gücüne bağlayan bir bilgi üretme ve iletme sistemi olarak görülebilir. Bu yolla MSE, malzemelere ışık tutan disiplinler ve alt disiplinler için bir matris ya da bağ dokusu sağlar; bu bilgi dallarının hiçbirinin yerini almaz. Böylece MSE, normalde ayrı duran disiplinler arasında etkileşimleri teşvik eden çok disiplinli bir alan oluşturur; toplumu—dolaylı da olsa—malzemelere ilişkin temel bilginin açtığı olanaklarla karşı karşıya getirirken, karşılıklı olarak temel bilim de toplumun malzemelerle ilgili talepleri ve deneyimleriyle temas eder. Bilimsel ve deneysel bilginin bu iki yönlü iletimi, yalnızca son birkaç on yıl içinde gelişmiş olan MSE’nin önemli bir niteliğidir.
Önceki bölümde verilen kısa tarihsel bakış, malzeme teknolojisinin bir biçimiyle binlerce yıldır uygulandığını ve geliştirildiğini göstermiştir. Yüzyıllar boyunca zanaatkârlar, ustalar ve sanatçılar arasında, malzemelerin özellik/işleme/performans ilişkilerine dair deneyime dayalı incelikli bir takdir anlayışı ortaya çıkmıştır; bu durum, örneğin çömleklerin, tekstillerin, aletlerin ve silahların kullanışlılığında olduğu kadar mücevherlerin, süslemelerin, sanatın ve mimarinin güzelliğinde de kendini göstermiştir. Ancak malzeme teknolojisindeki bu dikkate değer başarılara rağmen, 17. yüzyılın Bilimsel Devrimi ve 18. ve 19. yüzyılların Sanayi Devrimi boyunca bile, bilginler ve entelektüeller tarafından malzemelerin anlaşılmasına neredeyse hiçbir katkı sağlanmamıştır. Malzemeler, dönemin filozofları ve bilim insanlarının ele alması için fazla karmaşık, fazla öngörülemez, hatta fazla kirliydi. Uygulamanın içinde olan çalışanlar, malzemelerin işleme yoluyla pazara ya da buyurgan bir hamîye hizmet edecek şekilde ortaya çıkarılabilecek işlevsel, hatta estetik özelliklere sahip olduğunu zaten biliyorlardı; ancak açıklamalar eksikti.
Düşünenler ve Yapanlar Güçlerini Birleştiriyor
Malzemeler alanında düşünenlerle yapanların güçlerini birleştirmesi ancak 20. yüzyılda—özellikle son birkaç on yıl içinde—gerçekleşti. Sonunda zincirde yerine oturan unsur, bilimsel bağ oldu—iç katıhal yapısının dış özelliklerle eşleştirilmesi. Malzemelerin, dışarıdan sergilenen özellikleri için bir temel sunacak yeterli karmaşıklığa sahip, çok sayıda yapısal düzeyden oluşan bir iç hiyerarşi barındırdığı anlaşıldı. Mikro yapı optik mikroskopiyle, alt yapı elektron mikroskopisiyle, kristal ve moleküler yapı X-ışını kırınımıyla, atomik yapı uyarma spektroskopileriyle ve çekirdek yapısı yüksek enerjili bombardımanla ortaya kondu. Malzemelerin bu iç mimarisi, nihayetinde uygulamaya açıklamanın, ampirizme ise anlayışın eklenebildiği yeni bir çerçeve sağladı; böylece modern MSE doğabildi.
Ardından, çok disiplinli bir birleşim bandında bilimsel bilginin dalgaları soldan sağa doğru akmaya başladı ve karşı akışla, deneyime dayalı bilginin dalgaları sağdan sola doğru ilerledi. Ortaya çıkan fikir türbülansı ve heyecan son derece katalitik oldu ve çok çeşitli yeni insan yapımı malzemelere dönüştü: sentetik lifler, yüksek dayanımlı ve yüksek sıcaklık alaşımları, yeni seramik ve dielektrik malzemeler, optik cam, nükleer yakıtlar, yarı iletkenler, süperiletkenler, sentetik elmaslar ve yakutlar, kompozit malzemeler, amorf metaller ve dikkate değer çeşitlilikte plastikler.
Bu etkileşimli sürecin bazı belirgin özelliklerini vurgulamakta yarar vardır.
Etkileşimli, Disiplinlerarası Etkinlikler
COSMAT (Committee on the Survey of Materials Science and Engineering) çalışmasında, çeşitli malzeme yenilikleri oldukça ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Görünüşe göre MSE’de bilginin iki yönlü akışı, anlayış ile gereksinimin birbirine o denli sıkı biçimde karıştığı durumlarda en üretken olmaktadır ki, neden ile sonuç birbirinden ayırt edilemez hâle gelir. Bununla birlikte genel olarak, MSE sistemindeki ilk itkinin “bilimsel itme”den ziyade daha sık olarak “toplumsal çekim”den kaynaklandığı anlaşılmaktadır.
Bu tür malzeme ilerlemelerinde öne çıkan bir başka etken, MSE’nin disiplinlerarası bir kipte işlemesidir. MSE’nin çok disiplinli doğası nedeniyle alan, belirli bir göreve yönelik amacı yerine getirmek üzere bilinçli olarak bir araya getirilen, özel olarak eşleştirilmiş disiplin kombinasyonlarına uygundur. Bu disiplinlerarasılık, en azından geçici olarak, katılımcıların kendi disiplinleri yerine genel grup hedefine birincil vurgu yapmalarını gerektirir. Yine de COSMAT’ın belirttiği gibi, bu disiplinlerin her biri kendi kavramlarını, bakış açılarını, tekniklerini ve birikimini erişilebilir kılarak toplam çabaya önemli katkı sağlar.
MSE’de yapı, özellikler ve performans arasındaki başarılı bağ, özelliklerin yapıdan, performansın da özelliklerden tahmin edilebileceği anlamına gelecek şekilde yorumlanmamalıdır; bu tür beklentiler yalnızca bilinmeyenlere değil, aynı zamanda bilinemezler alanına da götürür. Genel olarak yapılar “konuşmaz” ve bize sahip oldukları özellikleri söylemez; hele ki malzemeleri insanlık için yararlı kılan özellikleri hiç söylemez. Buna karşılık, yapıya, meraktan ya da yapı dışından kaynaklanan deneyimden elde edilmiş bazı özelliklere dair ön bilgiyle yaklaşmak ve ardından—zihinsel bir sıçramayla—iç mimarinin hangi düzey(ler)inin söz konusu özellik ile “rezonansa” gireceğini çıkarsamaya çalışmak zorundayız. Ortaya çıkan etkileşimde, yapı ile özellikler arasında, her birinin diğerini yansıttığı ve her birinin diğerini anlamaya kendi yoluyla katkıda bulunduğu bir karşılıklılık vardır.
Yalnızca Yapıdan Kaynaklanan Bilinemezlik
Pratik olarak, yapı doğru sorular sorulana kadar özellikler konusunda sessiz kalır. Bunun çarpıcı bir örneği DNA molekülünün çift sarmal yapısıdır. Bu yapı son derece karmaşıktır, ancak yaşamın bağımsız olarak bilinen bazı özellikleriyle ona yaklaşmadıkça “canlanmaz”; örneğin, DNA yapısının kendini çoğaltma yeteneği var mıdır ve hangi tür bir hücreye dönüşüleceğini belirleyecek yeterli genetik bilgiyi kodlayabilir mi?
Yalnızca yapıdan özelliklere ilişkin bu bilinemezliğin, özellik/performans ilişkilerinde de bir karşılığı vardır. Malzemelerin performansı, ölçülen özelliklerden elde edilen bilginin tek başına kapsayabileceğinden çok daha fazla parametre ve boyutu kaçınılmaz olarak içerir. Dolayısıyla, MSE’nin başarılı işleyişinin, daha temel olandan daha karmaşık olana geçerkenki temel öngörülebilirliğe değil; yapı, özellikler ve performans arasındaki simbiyotik etkileşime dayandığını kabul etmeliyiz. Yani bilginin bunlar arasında serbestçe ileri geri akması ve her birinin diğerlerini daha iyi anlama ve kullanma yönünde güçlendirmesi söz konusudur.
Disiplinlerarası Kipte Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinden Bazı Örnekler
COSMAT tarafından, MSE’nin bir disiplinlerarası alan olarak nasıl işlediğini göstermek üzere on adet vaka incelemesi raporlanmıştır. MSE’nin yukarıda belirtilen özelliklerini belgelemek amacıyla burada kısa özetler sunulmaktadır.
Isı kalkanı tasarımı, özellikle sistem yaklaşımını örnekler. Malzeme geliştirme, daha geniş bir tasarım probleminin içine gömülüdür; ancak genel tasarım, malzeme yetenekleri tarafından güçlü biçimde, hatta neredeyse tamamen belirlenir. Uzay araçlarının insanlı yeniden girişleri için yeterli bir ısı kalkanının geliştirilmesi, birçok kuruluşun ve çok sayıda yerin katkılarını gerektirmiştir. Kullandığımız ifadeyle, bu program bilim yoğunlukludur. Programın açıkça tanımlanmış bir genel amacı vardı ve duyarlı malzeme Ar-Ge’sine bir örnektir.
Transistör öyküsü, bir malzeme Ar-Ge programının zamanla değişen doğasını vurgular.
Erken aşamalarında, yalnızca yarı iletkenlerde elektriksel iletimin doğasına ilişkin temel anlayış söz konusuydu. Güdü ya da “uygulama” yalnızca en genel biçimde ifade edilmişti; ancak haberleşme devrelerinde vakum tüplerinin yerini alacak bir çözüme duyulan ihtiyaç algılanıyordu. Bu program katıhal anlayışını önemli ölçüde artırmış olmakla birlikte, önceki on yıllarda tamamlanmış olan fizik ve kimyadaki çok sayıda temel çalışmaya zorunlu olarak dayanıyordu.
Program aygıt yetenekleri sağlamada başarılı oldukça, vurgu doğal olarak olgular üzerine yapılan araştırmadan tasarım ve üretimin mühendislik yönlerine kaydı. Personelin araştırmadan geliştirmeye geçişi önemli bir rol oynadı. Bu program, temel araştırma ile mühendislik arasındaki yakın bağın özellikle güçlü bir örneğini sunar. İlk transistör çalışmalarından büyüyen katıhal endüstrisi, bilim yoğunluklu bir endüstrinin ve üretken malzeme Ar-Ge’sinin arketipidir.
Transistör öyküsü, yenilikçi malzeme Ar-Ge’si için uygun bir entelektüel ve çalışma ortamının temel önemini de gösterir. Yönetim tarafından, bireysel yaratıcılığı ve içgörüyü teşvik edecek kadar genel; buna karşın, ilgili uzmanların coşkusunu ve adanmışlığını uyandıracak kadar da belirli bir yön duygusu sağlanmıştır. Araştırma ve geliştirme programındaki liderlik, bu tür programların tüm kapsamını entelektüel ve güdüsel olarak kucaklayabilen kişilerin üzerinde doğal olarak toplanmıştır.
Bu önemli gelişmeye yapılan başlıca katkılar kimyadan gelmiştir; ancak sıcak-sıvı aşındırıcı eriyik için uygun kapların metalurjik geliştirilmesi gibi başka disiplinlerden girdiler de gerekmiştir. Nihai müşteriye ulaşmak için, bu malzeme ilerlemesi ayrıca yeni lifler için eğirme ve dokuma makinelerinde yenilikler gerektirmiştir.
Dokulu malzemeler, bu raporda, komşu kristallerin hizalanması üzerinde belirli bir kontrolün uygulandığı polikristalin mikro yapılara atıfta bulunmak için kullanılan bir tanımdır. Örnekler arasında kalıcı mıknatıs alaşımları ile rölelerde ve konnektörlerde yay olarak kullanılmak üzere yüksek dayanımlı fosfor bronzu alaşımları yer alır.
Bileşim, yapı ve özellikler arasındaki ilişkiye dair malzeme biliminin merkezi teması, bu programda son derece güzel biçimde gösterilmektedir. Burada vurgu, yapının—daha doğrusu yapının kontrolünün—ve bunun özellikler üzerindeki etkisinin üzerindedir. Bir fizikçi tarafından yapılan temel çalışmaların, yıllar sonra laboratuvarda metalurjistler tarafından sürdürülmesi ve matematikçilerden gelen kapsamlı hesaplama teknikleriyle desteklenmesi, malzemelerin yapısını ve buna bağlı fiziksel özelliklerini ve bunların hazırlanmasını öngörebilme yeteneğine yol açmıştır. Program, bilimin pratik programlara doğrudan sağlayabileceği katkılar için yüksek bir standart belirlemiştir.
Entegre devreler, transistör öyküsünün mantıksal bir devamı olsa da, malzeme Ar-Ge’sinin farklı yönleri gösterildiği için ayrı bir bölüm olarak ele alınmıştır. Entegre devrelerin hızlı geliştirilmesinde, etkin bağlanma esas olarak endüstriyel kuruluşlar arasında patentlerin karşılıklı lisanslanması yoluyla sağlanmıştır.
Son derece rekabetçi olan kuruluşlar.
Transistör önemli yeni bilimsel anlayışlar gerektirirken, gelişmiş tümleşik devrelerin geliştirilmesi esas olarak buluşçuluk ve mühendislik yaratıcılığının, özellikle de işlem teknolojisindeki ustalığın bir sonucu olmuştur. Aynı zamanda, tümleşik devreler için gerekli olan küçük boyutlar ve aşırı malzeme saflığı, daha önceki ve birbirleriyle ilgisiz bilimsel programlar tarafından sağlanan çok çeşitli tanısal araçlar ve ölçüm sistemleri olmadan elde edilemezdi.
Elektrik için bakır iletkenler, deneyime dayalı bir endüstriden gelir; ancak bakır bulunabilirliğindeki son sorunlar, fiyatlara yansıdığı üzere, endüstriye yeni bilim ve mühendisliği dahil etmiştir. Birkaç yıl önceki haliyle alüminyum birçok bakır tel uygulaması için yetersiz olsa da, malzeme Ar-Ge çalışmaları, alüminyum alaşımlarının gerekli özellikleri—elektrik iletkenliği, süneklik ve korozyon direnci gibi—karşılayacak şekilde değiştirilip denetlenebileceğini göstermiştir. Programın hedefleri açıktı, zaman ölçeği görece kısaydı ve katkılar bilimsel olmaktan çok mühendislik niteliğindeydi. Bu, bilim yoğun bir endüstride kullanıcının yeni malzeme yetenekleri talep etmesine ve bu amaca ulaşmak için liderlik sağlamasına açık bir örnektir. Malzeme Ar-Ge yoluyla, belirli bir işlevi karşılamak üzere bir ikame malzemenin geliştirilebilme yeteneğini göstermektedir.
Yukarıdaki özetler, tam vaka çalışmalarına hakkıyla adalet edemese de, buna rağmen MSE'nin çeşitli kapsamını ve çalışma biçimini güzel bir şekilde yansıtan kesitler sunmaktadır.
Genel Bir Bakış
Önümüzdeki yıllarda, insanlık doğaya uyum sağlama baskısı altında giderek daha fazla kaldıkça, malzeme döngüsüne; gıda, enerji, bilgi ve çevre ile birlikte, ulusal ve küresel sistemlerin temel bileşenlerinden biri olarak artan bir önem verilecektir. Aynı zamanda, toplum büyüyen bilgi birikimini kaçınılmaz olarak insan zihninin doğayı daha derinlemesine anlamaya sürekli teşvik edileceği ve benzer şekilde insan amacının doğayla daha akılcı biçimde işbirliği yapmaya sürekli motive edileceği şekilde yapılandıracaktır. MSS, malzemeler alanında—insanlığın doğayla özünde bağlı olduğu maddelerin alanında—tam olarak bunu yapmayı amaçlamaktadır. Öyleyse, bugün MSE olarak adlandırdığımız bilgi yelpazesinin insanlığın kaderinde merkezi bir rol oynadığı kuşkusuzdur.