Malzeme bilimi imdada yetişti: Yapışmayan sakız Understand article

Tercüme eden: Seda Çöl Arslan. Halina Stanley sakızın tarihini, kimyasal bileşiminin yapısına olan etkilerini ve bilim adamlarının bu bilgiyi, sakızı çevreyi daha az kirletir hâle getirmek için nasıl kullandıklarını araştırdı.

iStockphoto izniyle

Sevin ya da sevmeyin, ama sakız çiğnemek her yerde karşılaşabileceğiniz ve genelde zararsız bir eylemdir. Zararsız; ta ki aklıevvelin biri sakızı saçınıza yapıştırmaya karar verene kadar. Sakız halılara, ayakkabılara ve okul sıralarının altına yapışmasa ne güzel olurdu, değil mi? İngiltere’deki Bristol Üniversitesi’nden profesör Terry Cosgrove, bu konuda harekete geçmeye karar vermiş; kendi icadı olan, yapışmayan sakız sayesinde temizlik faturalarında milyonlara varan tasarruflar yapmak mümkün olabilirw1.

Sakızın yapışkanlığı istenmeyen bir yan etki belkiw2, ancak çiğnenebilirlik oldukça arzu edilen bir özellik. Sakız üreticilerine –ve bâtıl inançlara – göre sakız çiğnemek, odaklanmayı, konsantrasyonu ve uyanıklığı artırmaya yarayabiliyor. Aynı zamanda stresi azaltmaya ve kilo vermeye de katkısı olabilen sakızların, günümüzde sigarayı bırakmaya yardım eden ve deniz tutmasına karşı etkili çeşitleri de mevcut. Hattâ sakız çiğnemenin diş çürümesine ve ağız kokusuna karşı oldukça etkili olduğunu iddia eden reklâmlar bile var. Ancak, yazarımızın iki lise öğrencisiyle yaptığı ‘bilimsel’ araştırmaya göre, çocuklar için sakız çiğnemek aslında tükenmez ve kurşun kalem çiğnemeye karşı bir alternatif: Görünen o ki, çiğnemek insanlar için genel bir ihtiyaç.

Peki nedir bu sakız? Tarihe baktığımızda, sakızın ilk başta yalnızca ağaçlardan sızan reçine olduğunu görürüz. Örneğin, Orta Amerika’daki Yukatan Yarımadası’nda yaşayan Kızılderililer, sakızı ‘Manilkara chicle’ adlı, yaprağını dökmeyen tropikal bir ağaçtan çıkarırlardı. Bin yıldan da önce bu insanlar, ağaçların gövdelerinde yarıklar açar, çıkan reçine damlalarını toplar ve çiğnenmeye uygun bir kıvama gelene kadar kaynatırlardı. ‘Chicle’(çıkıl, Ç.N.), Azteklerin kullandığı eski Nahuatl dilinde tam olarak ‘yapışkan madde’ anlamına geliyordu.

Özsuyunu toplamak için
gövdesinde yarıklar açılmış bir
Manilkara chicle ağacı

Fotoğraf kaynağı: Wikimedia
Commons; Luis Fernández
García izniyle

Ancak sakız çiğnemek, – en başından beri – yalnızca Amerika’ya ait bir alışkanlık da değil: Taş Devri Avrupası’ndaki insanlar da sakız çiğniyorlardı. İngiltere’deki Derby Üniversitesi’nden Sarah Pickin, 2007’de Finlandiya’da yapılan bir kazı sırasında fosilleşmiş diş izleriyle birlikte 5000 yıllık bir sakız bulduw3. Bu sakız Taş Devri’ndeki insanlarca huş ağaçlarından elde ediliyor ve soğukken katı, daha yüksek sıcaklıklarda ise yumuşak bir çeşit katran üretmek için ısıtılıyordu. Görünen o ki, bu katran kap kacak tamirinde, ya da ok yapımında kullanılıyor, ama aynı zamanda da çiğneniyordu. Sarah’nın Derby Üniversitesi’ndeki hocası Trevor Brown’a göre; bu sakız doğal antiseptikler içerdiği için, Nolitik çağ insanları ağız enfeksiyonlarına karşı kendi tıbbî sakızlarına sahiplerdi..

Çıkıl ve doğal kauçuğun hammadesi olan lateks benzeri ağaç özleri, doğal polimerlerdir. Bu polimerler, diğer adıyla politerpenler, binlerce C5H8 izopren birimlerinden oluşurw4. Ağacın ya da bitkinin çeşidine göre, bu doğal polimerler az ya da çok dallanmış zincirlere, farklı molekül ağırlıklarına sahip olabilir ve de çeşitli uçucu esanslarla karışmış hâlde bulunabilir. Tüm bu özelliklerin, polimerin yumuşaklığı ve elastikiyeti üzerinde etkisi vardır. ( Kimyasal yapının fiziksel özellikler üzerindeki etkileri sınıfta kolayca incelenebilirw5). Bu akışkansı sıvılar, polimerlere çapraz bağlayıcılar eklenerek katılaştırılabilir; örneğin bu süreç polyvinilalkol bazlı ‘beyaz’ tutkala sodyum tetraborat çözeltisi eklenerek incelenebilir. Bu klasik deneyin protokolünü pek çok web sitesinde bulmak mümkündürw6; çapraz bağlayıcının yoğunluğunu (sodyum tetraboratın tutkala olan oranını) değiştirmenin ortaya çıkaracağı etkileri gözlemlemek ilginç olacaktır.

Manilkara chicle ağacı
Fotoğraf kaynağı: Wikimedia
Commons; genel kullanıma
açık bölümden alınmıştır

Her ne kadar 1870’te ABD’de açılan ilk sakız fabrikasında sakız mayası olarak ‘Manilkara chicle’ ağacının özü kullanılmış olsa da, günümüzde sakızlar sentetik polimerlerden üretiliyor. Yıllık sakız tüketiminin yalnızca ABD’de 50 milyon tane (kişi başı yıllık ortalama 170 sakız) gibi dudak uçuklatan bir miktar olduğu düşünülürse, hammaddenin tamamen tropik ormanlardan elde edilmesinin uygulanabilir bir fikir olmadığı anlaşılabilir. Bazı terkipler, muhtemelen hâlâ doğal maddeler içeriyor, ancak bu reçetelere ulaşmak – ticari sır olarak saklanmalarından ötürü – oldukça zor. Genelde ise, piyasadaki sakızlarda maya olarak kullanılan sentetik polimerler, doğal polimerlerin özelliklerinin taklit edilip, daha da iyi hâle getirilmesi ile üretiliyor: etkileşimsiz, çözünmez ve tamâmen kalorisiz. Bu polimerler, petrol ürünlerinden sentezlenirken, şeker ya da aspartam gibi tatlandırıcılarla ve başka aromalarla da karıştırılıyor. Bunlara ek olarak, sakız herhagi bir tıbbî amaca hizmet etmeyecekse, yalnızca renklendiriciler (balonlu sakızlar için genelde çingene pembesi) kullanılıyor. Örneğin, sigarayı bırakmaya yardımcı sakızlara ise suda çözünebilen – nikotin gibi – bir kimyasal da ekleniyor.

Sakız mayasının terkibi, istenen çiğnenebilirliği (esnekliği) ve aromanın salımını sağlayabilmesi için, oldukça karmaşıktır ve amaçlanan esnekliğe bağlı olarak da değişim gösterir. Örneğin, balonlu sakızların normal sakızlardan daha esnek olmaları gerekir. Sakız mayası, farklı elastomerler (esneklik veren maddeler), reçineler (bağlayıcılar), dolgu maddeleri (genel dokuyu da etkileyen ve sakızın boyutlarını, kalorili maddeler eklemeden büyüterek düşük kalorili ürünler üretmeye yarayan maddeler) ve plastikleştiriciler (yumuşatıcılar)w7 içerir.

Ana madde genelde poliizobutilen, izobutilen-izopren kopolimeri (bütil kauçuğu), stiren-bütadien kopolimeri ve polivinilasetat gibi, bazılarını araba lastikleri ile ilgili olarak duymuş olabileceğiniz sentetik elastomerlerin karışımından oluşur. Bu polimerlerin hepsi hidrofobiktir; hiç biri suda çözünmez ve doğada bozunmaz. İşte bu özellikler yüzünden, halınızı suyla ovalamanın ya da suya bastırmanın yapışan sakızı çıkarmaya hiç yararı olmaz. Sakız beton bir duvara ya da kaldırım taşına yapışmışsa da, yağmur suları ile yerinden sökülmeyecektir.

Bir parça sakız çiğnendiğinde, şeker ve aromalar gibi suda çözünebilen maddeler zaman içinde ağızda salınır; ancak polimer sakız mayası (plastik kısım) kalır. Bir süre sonra sakız tatsız bir hâle gelir, zirâ tüm aromalar açığa çıkmıştır; oysa sakız mayası asla çözünmez. Ağzın sıcaklığı mayayı yumuşatır ve daha kolay çiğnenebilir hâle getirir; ama aslında değişen bir şey yoktur, sakız soğuyunca yeniden sertleşir (plastikleştiriciler salınmışsa daha da sert bir hâle bile gelebilir). En güzel balonları şişirmek istiyorsanız, tüm şeker açığa çıkana ve yalnızca esnek polimer kalana kadar sakızı çiğnemelisiniz: şeker bir polimer olmadığı için esnemez ve balonlarınızın erkenden patlamasına sebep olabilir.

Şimdi asıl soruya geri dönelim: Sakız pek çok yüzeye neden bu kadar iyi yapışır? Yapışmanın ilmi oldukça karmaşıktır (Bakınız: Ayraç) ve sakız özelinde, muhtemelen hem mekanik etkileri hem de kimyasal bağları kapsar. Ancak, yapışma mekanizması ne olursa olsun, iki yüzey, yapışmadan önce birbirine çok yakın olmalı ve birbirlerini ‘ıslatmalıdır’ (‘ıslatma’ terimi burada sıvı ve katı, iki maddenin birbirleriyle temasını ve bu temasın doğurduğu moleküllerarası etkileşimi ifade eder). Yumuşak bir sakız da bu tarife tamâmen uyar! Ve bir kez yapışmayagörsün, çekmek için harcadığınız enerji, sizin arzuladığınızın aksine, sakızı yüzeyde tutan bağları koparmaya yaramaz; bunun yerine yalnızca sakız içindeki polimer moleküllerini esnetir ve yerinden oynatırsınız. Bu, belli bir sıcaklığın üstündeki polimerlerin genel özelliğidir: Birbirine dolanmış uzun moleküller, genelde birazcık çekmeyle düzelecek birçok kıvrıma sahiptir. (Polimerlerin uzadığını sınıfta politen poşetler kullanarak gösterebilirsinizw8). Peki bu bilgiyi sakızı daha az yapışkan hâle getirmek için nasıl kullanabiliriz?

Yapışma

Nesneler birbirlerine pek çok şekilde yapışabilirler. Bu farklı şekiller aşağıdaki gibi özetlenebilir:

  • Mekanik kilitlenme. Örneğin cırt-cırtlarda ve uygulandığı madde üzerindeki çatlak ve boşluklara sızarak donan ve böylece maddeye kilitlenen yapışkanlarda görülür.

 

  • Moleküllerarası çekim(Hidrojen ya da Van der Waals bağı). Gekolar (bir çeşit kertenkele, Ç.N.) düz duvarlara, hatta camlara hızla tırmanabilmeleri ile ünlüdür. Gekonun her bir ayağı, yüzeylere zayıf Van der Waals bağları ile yapışan yaklaşık 500.000 tüyle kaplıdır (Autumn et al, 2000). Geko, duvara yapışan ayağını elbette geri de çekebilmelidir (çekemediğinde zavallı hayvanın hâlini bir düşünün), dolayısıyla bu iyi bir taktiktir: Bu bağlar zayıf olsa da, 500.000 tüyün toplam etkisi kuvvetlidir. Ayağını yüzeyden çekmesiyle geko, bu bağları tek tek koparır.

 

  • Kimyasal bağlar (Kovalent ya da iyonik bağ oluşturma). Midyeler, kertenkelelerin aksine çok da hareketli canlılar değildir; fırtınalı havalarda bile kendilerini yerlerinden etmeyecek güçlü kovalent bağlarla tutunurlar kayalara. Bazı tutkallar da – ticarî birer sır oldukları için detayları bilemesek de – yüzeylere kovalent a da iyonik bağlarla yapışır.

 

  • Ara yüzeyde karşılıklı difüzyon. Bu genelde çok sağlam bir yapışma ile sonuçlanır, çünkü iki malzeme moleküler düzeyde birbirleriyle karışır. Pek çok madde, örneğin, orta sıcaklıklardaki benzer polimerler, belli oranda karşılıklı difüzyona uğrar. Bu süreç, metal-metal temasında ve metal-metal oksitlerde de önemlidir.

 

  • Elektrostatik çekim. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) araştırmacıları bugünlerde, yarı iletkenleri elektrostatik yüklerle birbirine bağlamanın mümkün olup olmadığını araştırmaktadır.

Sakızın esnekliğini azaltmak akla yatkın bit çözüm değil, kim sert bir top çiğnemek ister ki? Profesör Cosgrove, bunun yerine sakız mayasına hidrofilik polimerler eklemiş. Sakız çiğnendikçe, bu hidrofilik polimer tükürüğü emerek sakızı yumuşatıyor. Polimerin sürekli yüzeye doğru hareket etme eğilimi sayesinde de, sakız kütlesinin üzerinde çiğnemeyle birlikte sürekli ince bir su tabakası bulunuyor. Bu kalıcı su tabakası da, sakızla diğer yüzeyler arasına girerek yakın teması önleyip sakızın yapışmasını engelliyor. Bu kadar basit mi? Elbette hayır. Hidrofilik bir polimer sakız mayasına direk olarak eklenirse, tıpkı su ve yağın karışmaması gibi, sakız mayasıyla karışmaz. Bunun yerine, hem hidrofobik hem de hidrofilik birimlerden oluşan bir kopolimer (iki farklı birimden oluşan polimer) kullanılmalı, bu bile faz ayrışmasının önüne geçmek için son derece dikkatle eklenmelidirw9. Boya üreticileri de buna benzer bir hile kullanırlar: Kuruyunca suya karşı dayanıklı bir astar hâline gelecek olan elastomerik polimerleri suyla, buradakine benzer bir kopolimer kullanarak karıştırırlarw10.

iStockphoto izniyle

Hidrofilik bir polimer kullanmanin bir başka yararı daha var. Sıradan bir sakız, çevresel etkenlere karşı dirençlidir: Yağmurda çözünmemesinin yanı sıra havanın etkisiyle daha da sertleşir ve uzun bir süre boyunca çevreyi kirletir (kaldırımlarda gördüğünüz gri lekeleri bir düşünün!). Oysa hidrofilik polimer içeren bir sakız (yani ‘yapışmayan sakız’) suyun varlığında yavaş yavaş yok olur.

Yapışmayan sakızda kullanılan kopolimerin patenti alınmış durumdaw1, ancak araştırma ekibi hâlâ sakız mayasının terkibini mükemmelleştirmeye çalışıyor. Bugüne kadar 200’den fazla karışım denenmiş – anladığım kadarı ile Violet Beauregarde ekipte ilk çalışanlardan biriymiş (Roald Dahl’ın Charlie’nin Çikolata Fabrikası romanına okumanızı öneririm). Ekip, kullanılan polimerlerin moleküler ağırlık, dallanma derecesi ve çapraz bağlanma oranı gibi ilk akla gelen özelliklerini değiştirmenin yanı sıra, bu hem hidrofobik, hem hidrofilik –şizofren – kolopolimerleri de en uygun şekilde kullanmanın yolunu bulmak zorunda. Örneğin, çok fazla hidrofilik polimer içeren bir sakız gereğinden yumuşak olabilir veya yanlış bir terkip yüzünden ağızda dağılabileceği gibi, yüzeylere yapışmaya da devam edebilir. Araştırma ekibi, piyasaya sürülebilecek bir ürünün yakında elde edilebileceğinden emin. Ben de bu ürünün tutması için dua ediyorum; yoksa tüm okul sıralarının altını yapışmaz yüzeylerle kaplamamız gerekecek!

Teşekkür

Profesör Cosgrove’a, değerli görüşlerini paylaştığı ve metni okuyarak dikkatle değerlendirdiği için teşekkür ederim.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Autumn K et al (2000) Adhesive force of a single gecko foot-hair (Gekonun tek bir ayak tüyündeki yapıştırıcı güç). Nature 405: 681-685. doi: 10.1038/35015073. Bu makâleyi Science in School’ un web sitesinden ücretsiz olarak indirebilir, ya da Nature dergisine abone olabilirsiniz: www.nature.com/subscribe
  • Roald Dahl’ın sevilen çocuk kitabı Charlie’nin Çikolata Fabrikası’nda, Violet Beauregarde sakız bağımlısı itici bir çocuktur.
  • Dahl, R (2007 ve öncesi) Charlie and the Chocolate Factory (Charlie’nin Çikolata Fabrikası). Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Web References

  1. http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene
  • w5 – Polimerlerin ve plastiklerin özelliklerinin nasıl değiştirileceğiyle ilgili bir eğitim etkinliğinin (etkinlik no. 3.1.5) ayrıntılı bilgileri, İngiliz Kraliyet Kimya Cemiyeti’nin web sitesinden indirilebilir: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w6 – Polivinilalkol ve sodyum tetraborat (boraks) deneyi ile ilgili, aşağıdaki öğretici sitelere ve benzerlerine başvurulabilir:
  1. www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (özellikle deney no. 3.1.8, ‘Yapışkan sıvı oluşturarak çapraz bağlanmanın araştırılması’)
  2. www.iop.org/activity/education/Events/
  3. Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc
  4. http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm
  • w7 – Sakız hakkında temel bilgilere Gumbase (Sakız mayası) web sitesinden ulaşabilabilir: www.gumbase.com
  • w8 – Polimerlerin esneme özelliğini açıklamak için kullanılabilecek ilginç bir eğitim etkinliğine dair (deney no. 3.1.6 ‘Politen poşetler’) bilgiler, İngiliz Kraliyet Kimya Cemiyeti’nin web sitesinden indirilebilir: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w9 – Sakız mayasının nasıl yapıldığı hakkında bir videoya (‘Temiz sakız üretimi’) buradan ulaşılabilir: www.revolymer.com
  • w10 – Boyalarda kullanılan, polivinilasetat (suda çözünmeyen bir polimer) – polivinilalkol (suyu seven bir polimer) kopolimerine dair detaylı bilgi için: http://pslc.ws/macrog/pva.htm
  • w11 – Bu patent (WO/2006/016179, ‘Yapışkanlığı azaltılmış polimer maddeler, bu maddelerin üretim yöntemleri ve kullanıldıkları sakız terkipleri’ ) hakkındaki bilgilere, Dünya Fikri Mülkiyet Organizasyonu’nun web sitesinden ulaşılabilir: www.wipo.int/pctdb/en/
  • wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS

Resources

  • Sakızdaki sitrik asit miktarını ölçmek için yapılacak bir sınıf etkinliği ile ilgili olarak, bakınız:Gadd K, Szalay L (2008). Chewing flavours. Science in School 8: 34-37. www.scienceinschool.org/2008/issue8/chewinggum
  • Görüş bölümünde tavsiye edilen sakız-testi etkinliğini denemek istiyorsanız, Science in School’da yayınlanan çikolata-tatma etkinliğine bir göz atabilirsiniz:Schollar J (2006). The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge
  • Sakız endüstrisi ile ilgili bazı temel bilgiler için, bakınız:Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 9780415944182.
  • ve bakınız ‘Sakız Hakkında Her Şey’: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.as

Author(s)

Halina Stanley, Fizik eğitiminin ardından, Exxon (New Jersey, ABD) ve ICI (İngiltere) firmalarında çalışmıştır. ICI’da çalıştığı dönemde, üretilen Dulux® boyalarının kuruması sürecine pek çok kereler tanıklık etmiş ve kontrollü ilaç salınımına olanak sağlayacak polimer karışımlarının geliştirilmesine yardımcı olmuştur (Şirketin bu bölümü, şu anda AstraZeneca olarak faâliyet göstermektedir). ICI, şu anda AkzoNobel şirketine bağlıdır. Halina, İngiltere’nin Oxfordshire kentindeki Rutherford Appleton Laboratuvarı’nda ICI temsilcisi olarak çalışırken, nötron saçılması tekniğiyle malzeme bilimi üzerinde araştırmalar yapmış, bu dönemde Profesör Cosgrove ile ortak bir deney de gerçekleştirmiştir.

Halina, son yedi yıldır Fransa’daki Grenoble Amerikan Okulu’nda orta okul öğrencilerine fizik, kimya ve matematik eğitimi vermektedir.


Review

Öğretmenlere, öğrencilerin gözdesi olmak için yeni bir yol daha: Bir çok çeşit sakız almak! Öğrencilere farklı markaları uzman gözüyle değerlendirme şansı verebilir; örneğin, çiğnenebilirlik, aromanın ağızda hissedilebilme süresi ve kıvam gibi farklı özelliklere notlar vermelerini sağlayabilirsiniz. Makâleyi okuyup, bahsi geçen kimyasal terimleri tartışabilirsiniz. En sonunda da kendi yapışmayan sakızınızı üretmeye çalışabilirsiniz.


Sølve Tegner Stenmark, Norveç




License

CC-BY-NC-ND