Akıllı cam üretiminde boraks alternatif olabilir mi?
TÜBİTAK tarafından her yıl düzenlenen ortaöğretim öğrencileri arası araştırma projeleri bölge yarışmasının fizik dalında; Eyüboğlu Eğitim Kurumları öğrencilerinin "Akıllı cam üretiminde hammadde olan likit kristaller yerine çevre dostu boraks alternatif olabilir mi?" adlı projesi birinci oldu.
Projede; boraksın diğer elektrolitlerle (asit, baz ve farklı tuz çözeltileri), farklı molarite ve sıcaklıklarda kırılma indisi, akım iletkenliği ve ışık geçirgenliği özelliklerini karşılaştırarak dünya bor rezervinin yüzde 63’üne sahip olan ülkemizde bulunan bor yataklarından elde edilen boraksın akıllı cam üretiminde alternatif bir çözelti olarak kullanılabilirliğinin araştırılması amaçlandı.
Akıllı cam, camın özelliklerini isteğe göre değiştirme olanağını yaratarak, gizlilik veya ışıktan korunma gibi sorunlara çözüm getirir. Bu camlar yer tutan, toz birikmesine neden olan perde, gölgelik veya kepenk gibi örtücü malzemelere gereksinimi ortadan kaldırır. Akıllı camların üretiminde hammadde olarak kullanılan likit kristallerin pahalı ve geri dönüşümünün zor olması, Eyüboğlu öğrencilerini akıllı camlarda kullanılacak çevre dostu ve ucuz yeni hammadde arayışına yönlendirdi. Böylece araştırma konusu, “kırılma indisi, sıcaklık ve molarite arasındaki ilişki bilgileri, ışık geçirgenliği ve akım iletkenliği ile birleştirilerek boraks çözeltisinin akıllı camlarda kullanılabilirliği” olarak belirlendi.
İşte projenin detayları:
TEKNİK BİLGİ NOTU:
Elektrokromik terimi, elektrik akımı verilerek enerji kazandırılan maddelerin renk değişimini tanımlayan bir terimdir. Elektrokromik camlar elektrik verilmediği zaman ışığı geçirir; tabakalarının tümü saydamdır. Elektrik akımı verildiği zaman bir elektrik alanı yaratılır. Bu alan iyonlaşmaya neden olur. Elektrik yardımıyla başlayan kimyasal reaksiyon maddenin özelliklerini değiştirir. Bu maddelerde elektrik akımı kullanarak oluşturulacak kimyasal reaksiyonlar, iyonların oluşmasına ve maddelerin saydamlaşması ve opaklaşmasına neden olur.
Akıllı camlar iki cam levha arasına belirli maddeler yerleştirilerek yapılır. Burada kullanılan bazı malzemeler; cam ya da plastik panel, iletken oksit, tungsten oksit, elektrolit ve benzeridir. Bu özel camlar, pahalı oldukları için yaygın olarak kullanılmazlar.
İletkenlik bandında elektron bulunan maddeler ışık fotonları ile etkileştiği için ışığın geçişine izin vermezler. Bu nedenle iletken maddeler saydam değildir. İletkenlik bandında elektron bulunmayan maddeler ise ışığın geçişine izin verirler. Bu nedenle yalıtkan maddeler saydamdır. Yarı iletken maddeler ise enerji ile uyarıldıklarında ışık geçirgenlikleri azalır. Akıllı camlarda kullanılabilecek alternatif çözeltiler seçilirken, kırılma indisleri, ışık geçirgenlikleri ve akım iletkenlikleri karşılaştırılacak çözeltilerden birinin içinde yarı iletken madde bulunmasının sonucu nasıl etkileyeceği merak edildi. p tipi yarı iletkenlerinden Bor elementi ile yapılan boraks yarı iletken olduğu için seçildi. Bu nedenle boraks çözeltileri hazırlandı. Boraksın, ülkemizde bol miktarda bulunması ve maliyetinin ucuz olması tercihimizde etkili oldu. Bu madde akıllı camlarda likit kristal olarak kullanılmayan bir elektrolittir. Boraks likit kristallerde kullanılan diğer maddelere göre daha ekonomik, kristallenme özelliği düşük, çözünürlüğü yüksek, ısıya karşı dayanıklı, geri dönüşümü kolay ve doğada kimyasal kalıntı bırakmayan çevre dostu bir maddedir.
Boraksın, ışık geçirgenliği özelliği nedeniyle tercih edilmesi gereken alternatif bir madde olduğunu göstermek amacıyla diğer elektrolitlerle, farklı molarite ve sıcaklıklarda kırılma indisi, akım iletkenliği ve ışık geçirgenliği özellikleri karşılaştırıldı.
Molarite, kırılma indisi ve sıcaklık ilişkisi ile ilgili daha önce yapılan çalışmalara rastlandı. Bu çalışmaların sonuçları ile deney sonuçlarımız karşılaştırıldı ve paralellik kuruldu. Benzer çalışmalarda bulunan sonuçların akım iletkenliği ve ışık geçirgenliği ile ilişkilendirilmediği görüldü. Bu konuda yapılacak bir çalışmanın başka çalışmalara referans olacağı düşüncesiyle boraksın ışık geçirgenliği çalışması bu ilişkileri de kapsayacak şekilde projemiz genişletildi.
Kullanılan araç ve gereçler
100ml ve 200ml beher, üç ayak, cam levha, süzgeç kağıdı, döküm ayak, saç ayağı, destek çubuk, bünzen kıskaç, ikili bağlama parçası, bağlantı kablosu, süzgeç kağıdı, damıtık su, cam huni, elektronik tartı, elektrot, krokodil, baget cam çubuk, termometre, dereceli silindir, açı ölçer, optik kırılma kabı, NaOH, KNO3, HCl, H2SO4, boraks, 12V ampülle çalışan ışık kaynağı, elektrikli ısıtıcı, ölçme aralığı 0-30V olan ve 3 basamak göstergeli bir güç kaynağı (Pmax=80W, IMAX=7A), ölçme aralığı 0-16V olan küçük bir güç kaynağı, ölçme aralığı 0-10A olan bir multimetre, ölçme aralığı 0-150000 lux olan “Vernier Lab Quest” Işık Sensörü, ölçme aralığı (-40ºC)-(135 ºC) 10.5cm uzunluk, 4 mm çapında paslanmaz çelikten yapılmış “Vernier Lab Quest” Isı Sensörü, ölçme aralığı 0-410g olan Ohaus Pioneer Dijital Tartı.
Yöntem
1. Aşama:
Farklı konsantrasyonlarda boraks çözeltileri (0,126M-0,202M-0,378M) damıtık su kullanılarak hazırlandı. Her çözelti 30ºC’ye getirilerek ayrı ayrı kırılma kaplarına döküldü. Hepsinin kırılma indisleri hesaplandı.
0.202 M boraks çözeltisinin farklı sıcaklıklardaki kırılma indisleri tabloya geçirildi ve incelendi. Diğer çözeltilerin farklı sıcaklıklardaki kırılma indislerine bakılmadı. İlişki boraks çözeltisi ile sınırlandırıldı.
Farklı molaritelerde NaOH, HCl, NaCl, KNO3 , H2SO4 çözeltileri hazırlandı. Farklı molaritelerdeki bu çözeltilerin 30ºC’deki kırılma indisleri yukarıdaki yöntemle bulundu. Çözeltilerin kırılma indisleri karşılaştırılırken 30ºC’deki kırılma indisleri kullanılarak sıcaklık etkisi ortadan kaldırıldı.
Kırılma indisi saptamalarında NaOH ile 5, HCl ile 2, H2SO4 ile 2, KNO3 ile 3, NaCl ile 2, boraks ile 24 kez deney yapıldı.
2. Aşama:
Molarite, sıcaklık, ışık geçirgenliği ve akım iletkenliği arasındaki ilişkiyi incelemek için aşağıdaki düzenek kuruldu.
200 mL suda 5, 8 ve 15 gram (0.126M-0.202M-0.378M) boraks çözülerek çözeltiler hazırlandı.
0,1M-0,5M-2M NaOH, 0,1M-1M HCl, 0.427M-1.709M-2.99M. NaCl, 0,1M-0,5M-2M KNO3 ve 0,1M-0,5M-2M H2SO4 çözeltileri hazırlandı.
Çözeltiler 100ml’lik beherlere konuldu. Çözeltilerin ilk sıcaklıklarının 30ºC olmasına dikkat edildi. Beherlerin hepsine aynı hacimde çözelti konularak derinliğin aynı olması sağlandı.
Her bir boraks çözeltisine farklı gerilimler uygulanıp ışık geçirgenlikleri ve sıcaklık değişimleri ölçüldü. Deney yapılırken ortam sadece ışık kaynağıyla aydınlatıldı. Boraksın daha kullanışlı olduğunun gösterilebilmesi amacıyla farklı molaritede NaOH, HCl, NaCl, KNO3 ve H2SO4 maddeleri de aynı aşamalardan geçirildi.
Deney yapılırken tüm çözeltilerin ilk sıcaklıklarının aynı olmasına dikkat edildi. Deney sonuçları ve gözlemleri incelenerek uygun molarite ve uygun asit-baz-tuz-boraks çözeltileri seçildi. İkinci aşama seçilen çözeltilerle tekrar edildi.
3. Aşama:
Seçilen çözeltiler : 0.202M boraks çözeltisi (30ºC) 0.1M H2SO4 çözeltisi (30ºC) 0.1M HCl çözeltisi (30ºC) 0.1M NaOH çözeltisi (30ºC)
İkinci aşama seçilen çözeltilerle tekrar edildi. Seçilen 4 çözeltinin akım iletkenliklerinin artan gerilimle nasıl değiştiğini gösteren grafikler çizildi.
Bu çözeltilerin akım iletkenlikleri ile ışık geçirgenlikleri arasındaki ilişkiyi gösteren grafikler çizildi.
Farklı molarite ve aynı sıcaklıktaki boraks çözeltilerinin akım iletkenliklerinin gerilimle ilişkisini gösteren grafikler çizildi.
Farklı molarite boraks çözeltilerinin ışık geçirgenliklerinin akım iletkenlikleriyle nasıl değiştiğini gösteren grafikler çizildi.
0.126M, 0.202M ve 0.378M boraks çözeltilerinin ışık geçirgenliği ve sıcaklıklarının 0.5s aralıkla değişimini gösteren grafikler logger-pro kullanılarak çizildi.
0.202M boraksın farklı sıcaklıklardaki kırılma indisleri bulundu.
0,202M Boraks
Sıcaklık T(ºC)
Kırılma indisi (n)
6,90
1,375
20,5
1,359
30,0
1,372
43,4
1,378
66,1
1,359
Farklı molarite ve 30ºC sıcaklıktaki tüm elektrolitlerin kırılma indisleri bulundu. HCl ve NaCl çözeltileriyle yapılan deneylerde gerilim arttıkça ve sıcaklık yükseldikçe elektrotlar tepkimeye girdiğinden çözeltilerin renklerinin değiştiği gözlendi.
Renklenmenin ışık geçirgenliğini etkileyen bir faktör olduğu düşünülerek Cl içeren elektrolitlerin ışık geçirgenliklerinin sonuç analizlerinde kullanılmamasına karar verildi. Yüksek molariteli çözeltilerin daha çabuk renklendiği görüldüğünden, sonuç analizlerinde düşük moraliteli çözeltiler kullanıldı.
Boraks çözeltilerinin yüksek gerilim ve sıcaklıklarda renkleri değişmedi.
Yapılan tüm ölçümler gözden geçirildi. Boraks, asit, baz ve diğer tuz çözeltilerinin akım iletkenliği ve ışık geçirgenliklerinin karşılaştırılması için renklenme, köpüklenme olmadan ışık geçirgenliği en çok azalan dört farklı çözelti seçildi. Yüksek molariteli asit ve baz çözeltileri hem toksik etkileri hem de renk değiştirme özellikleri nedeniyle seçilmedi.
Seçilen çözeltilere artan gerilim uygulandığında akım iletkenliklerinin nasıl değiştiğini gösteren grafik çizildi.
Sonuç:
Projede istenilen sonuca ulaşılmasını sağlayacak tüm aşamalar bitirildi.
Boraks çözeltileri için sıcaklıkla kırılma indisinin ters orantılı olduğu görüldü. Boraks çözeltileri ile seçilen NaOH çözeltilerinin kırılma indislerinin molariteleri ile ters orantılı olduğu görüldü. Seçilen asit ve tuz çözeltilerinde molarite ile kırılma indisinin doğru orantılı olduğu görüldü. Tüm çözeltilerin akım iletkenlikleri uygulanan gerilim yükseldikçe arttı. Sülfürik asit ve boraks çözeltilerinin akım iletkenliklerinin baz ve tuz çözeltilerinden daha iyi olduğu görüldü. Artan gerilimle tüm çözeltilerin belli bir süreden sonra ışık geçirgenliklerinin azaldığı görüldü. Işık geçirgenliği en çok azalan boraks ve sodyum hidroksit çözeltisi oldu. Gerilim arttığında ışık geçirgenlikleri azaldı, gerilim sıfırlandığında tekrar saydam hale geldi. Boraks çözeltisiyle NaOH çözeltilerinin kırılma indisleri ile molariteleri arasındaki ilişki benzerliğinden boraks çözeltisinin bazik olup olmadığı düşünüldü ve turnusol kağıdıyla bazikliğine bakıldı ve kırmızı turnusolu maviye çevirdiğinden bazik olduğu anlaşıldı.
Sıcaklık artışı boraks çözeltilerinde kırılma indisini düşürmüş ve ışık geçirgenliğini azaltmıştır. Boraks çözeltisindeki sıcaklık artışı asit ve bazlara oranla daha yavaş ve dengelidir. Işık geçirgenliği 30ºC’den sonraki sıcaklıklarda azalmaya başlamıştır. Boraksa gerilim uygulandığında ışık geçirgenliğinde belirgin bir düşüş gözlenmiştir. (özellikle de 8glık -100mL’de- Boraks çözeltisinde) Bu veriden yola çıkılarak, proje geliştirilip tam opaklığa ulaşıldığı takdirde, çeşitli amaçlar için kullanılabilecek, gerilimle opaklaştırılan camlar üretilebilir.
HCl ve NaCl çözeltileriyle yapılan deneylerde gerilim arttıkça ve sıcaklık yükseldikçe elektrotlar tepkimeye girdiğinden çözeltilerin renklerinin değiştiği gözlendi. Renklenmenin ışık geçirgenliğini etkileyen bir faktör olduğu düşünülerek Cl içeren elektrolitlerin ışık geçirgenliklerinin sonuç analizlerinde kullanılmamasına karar verildi.
Yüksek molariteli asit-baz ve tuz çözeltilerinin daha çabuk renklendiği görüldüğünden, sonuç analizlerinde düşük molariteli çözeltiler kullanıldı.
Boraks çözeltilerinin yüksek gerilim ve sıcaklıklarda renkleri değişmedi.
Bu verilerden yola çıkarak, proje geliştirilip yüksek molariteli boraks çözeltileri kullanılarak artan gerilimle tam opaklığa ulaşıldığı takdirde, gizlilik veya ışıktan korunma gibi sorunlara çözüm olabilecek gerilimle opaklaştırılan akıllı camlar üretilebilir. Yüksek molariteli asit-baz ve tuz çözeltilerinin kullanılması hem toksik etkileri hem de renk değiştirmeleri ve gerilim kesilince tekrar saydamlaşmamaları nedeniyle uygun değildir. Ayrıca asit ve bazların korozyon etkileri fazla ve insan sağlığına zararlıdır. Kırılma indisi düşük olan boraks ve sodyum hidroksit çözeltilerinin ışık geçirgenliklerinin daha kısa sürede azaldığı görülmüştür. Bu da yüksek molaritelerde gerçekleştirilebilir. Yüksek molariteli bazların çözelti olarak kullanılması yukarda belirtilen nedenlerle uygun değildir.
Boraks çözeltisinin tercih edilmesinin diğer nedenleri şu şekilde sıralanabilir:
Hafif bir maddedir.
Suda çok çözünür.
Kristalleşme özelliği düşük, çözünürlüğü yüksektir.
Isıya dayanıklıdır.
Ülkemizin dünya bor rezervinin %63’üne sahip olması ve maden yataklarının yüzeye çok yakın olması dolayısıyla maden çıkarma ve taşıma maliyetinin ucuz olması Türkiye için büyük bir avantajdır.
Ucuz ve çevre dostu olan boraks, geri dönüşümü kolay ve doğada kimyasal kalıntı bırakmayan bir maddedir.
Grafiklerden bazılarında aydınlanmanın azalmasında istikrarsız bir düşüş görülmektedir. Bunun sebebi kimi zaman ışık sensörünün yerinin oynaması, kimi zaman da köpürme ya da reaksiyon verme yüzünden rengin değişmesidir. Ayrıca ölçüm aletleri sırayla okunduğu için anlık tespit yapılamamış da olabilir.
Güç kaynağının kalibrasyonu ayarlanamadığından çözeltiler aynı gerilim değerleri altında incelenememiştir. Yakın değerler kullanılmıştır. Aynı değerler alınabilseydi karşılaştırma daha sağlıklı yapılabilirdi.
Akıllı camlarda boraks çözeltileri kullanılması ülke ekonomisi açısından çok önemlidir. Yeni bir teknolojik üründe pay sahibi olacağımız iş alanları yaratılabilir. Kullanılacak sistemler üzerinde çeşitli fikirler üretilebilir.