Mimari restorasyonda nanoteknoloji

Mayıs 1964 tarihli Venedik Tüzüğü'nün 10. maddesinde belirtildiği üzere 'Geleneksel tekniklerin yetersiz kaldığı yerlerde, koruma ve inşa için bilimsel verilerle ve deneylerle geçerliliği saptanmış herhangi çağdaş bir teknik kullanılarak anıt sağlamlaştırılabilir'. Bu ilke kapsamında 'Mimari Restorasyonda Nanoteknoloji' başlıklı bu tezde amacım, bir kimya mühendisi ve bir mimar olarak; mühendislik ve mimarlık disiplinlerini birleştiren, günümüzde kullanılan en ileri teknolojik yöntem olarak nanoteknoloji uygulamalarının tarihi yapıların korunması ve restorasyonu alanındaki başarısını incelemek ve Dünya'da İngiltere'de ve özellikle de Almanya, İtalya ve İspanya'da geçtiğimiz 5 yıl içerisinde bilimsel çalışmaların odak noktası haline gelen, Avrupa Komisyonu projelerine konu olan, inovatif yöntemlerin tarihi kültür mirasının korunması ve restorasyonu alanında kullanılması tekniği için Türkiye'de bir öncü olacak bu tezle araştırılmaya başlanmasını sağlamaktır. Aylar süren detaylı literatür araştırmalarında gözlendiği üzere, bu tedavi yönteminin başarısı SEM taramalı elektron mikroskobu analizlerindeki penetrasyon derinliği ve adhezyon kuvveti değerleri ölçümü ile bilimsel olarak kanıtlanabilmiştir. Ayrıca mukaveet artışı, deney standartları çerçevesinde, 3 nokta eğilme testleri ile ölçülerek nano-restorasyon tedavisinin yapı malzemesinin başlangıç mukaveet değerine oranla ne kadar bir yükselme sağladığı açıkça tespit edilebilir. İTÜ Mimarlık Fakültesi Restorasyon Anabilim Dalı ve İTÜ Nanobilim ve Nanomühendislik Anabilim Dalı olarak disiplinler arası çalışılan bu projede yapılan deneyler ve analizler; İTÜ Ayazağa Kampüsü Nanoteknoloji Araştırma Laboratuvarları: itünano, MEMS laboratuvarları, İTÜ Gümüşsuyu Kampüsü Makina Fakültesi Mekanik Deneyler Laboratuvarları ve Prof. Dr. Gerald Ziegenbalg'den alınan davet neticesinde Tübitak Seyahat Destek Bursu vasıtasıyla ve Sayın Prof Ziegenbalg'in desteğiyle Almanya Dresden Freiberg 'Prof Dr Gerald Ziegenbalg Conservation' laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. Yine bu tez kapsamında çalıştığımız konunun 'Tübitak Araştırma Konuları: Öncelikli Alanlar' statüsünde yer alması sonucu yaptığımız başvuruda, çalışmalarımız 'TÜBİTAK 2210 C Öncelikli Alanlara Yönelik Yurt İçi Yüksek Lisans Bursu' kazanmaya layık görülmüştür. Projemiz ayrıca İTÜ BAP Bilimsel Araştırma Projelerini Destekleme fonu tarafından desteklenmiş, Rektörlük tarafından tarafımıza sağlanan bu maddi imkanlar ile Türkiye stoklarında uaşamadığımız, ancak deneylerimizde kullanmamız gereken önemli kimyasallar yurt dışından tedarik edilmiştir. Tez çalışması kapsamında küfeki doğal taş numuneleri üzerinde çalışılmış ve bu doğrultuda; Barshan Madencilik'den elde edilen yeni küfeki taşı numuneleri (2. tip numuneler) ve Bayezid Camisi'nden Vakıflar Müdürlüğü'nün izni ile alınan ve 16. yüzyıla ait olduğu tahmin edilen eski taş numuneleri (1. tip numuneler) üzerine çalışmalar sürdürülerek aralarında bir kıyaslama yapılması amaçlanmıştır. Bayezid Camisi'nden alınan numuneler için Bayezid Camisi restorasyonu sırasında çürütülmüş taşların molozları içinden seçilen örneklerin yanı sıra; kubbe ayağı, mihrap duvarı ve avlu duvarından elde edilen, yapıya hiç zarar vermeyecek hassasiyette davranılarak cımbız ile çok küçük ölçekte alınan numuneler özel olarak elde edilmiş ve ardından SEM ve EDX ile karakterizasyon testlerine tabi tutularak analiz edilmiştir. Nanoteknolojik tedavi yöntemleri geliştirilmesi amacıyla literatürde ilk defa yapılan bu çalışma ile küfeki taşı kimyasal yapı bileşiminde yer alan kalsiyum ile onu tedavi etme yönünde kullanılacak olan kalsiyum bazlı nanopartiküller, mekanik mukaveet etkisinin arttırılması yönünde rol oynayacağı öngörülen karbon nanotüplerle kombinlenmiş, oluşan bu kompleks yapı2. tip numuneler üzerinde uygulamaya tabi tutulmuş ve mekanik mukaveet etkisindeki değişim irdelenmiştir. Ayrıca restorasyon uygulamalarında yaygın olarak kullanılan ancak yapı malzemesine verdiği zarar bilinen epoksi reçinenin CNT ile farklı konsantrasyonlarda kombinasyonları hazırlanmış, bunlar da yine 2. tip doğal küfeki numuneleri üzerine uygulanarak, nano bazlı tedavi ile karşılaştırma yapılabilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda Bayezid Camisi'nden alınan numuneler öncelikle bozulma faktörlerinin ve yapı morfolojilerinin incelenmesi amacıyla SEM ve EDX analizlerine tabi tutulmuş ve ICOMOS'un 2003 tarihli 'Mimari Mirasın Analizi Korunması ve Strüktürel Restorasyonu için İlkeler' metni 1.6. maddede yer aldığı üzere numuneler tıbbi bir inceleme yaparmışçasına bir araştırma sürecinin ardından tespit edilen bozulmalara özel nanoformülasyon önerileri geliştirilmesi ve bunların laboratuvar ortamında her bir numuneye ayrı ayrı uygulanması vasıtasıyla tez çalışması sürdürülmüştür. Yine aynı ICOMOS metni madde 3 .10.'da yer aldığı üzere kullanılan nanoformülasyonların bileşimlerine karar verilirken daha önce literatürde en iyi sonuçların alındığı konusunda mütabık kalınmış olan küfeki yapı malzemesi ile uyumunun en iyi sağlanması gerekçesiyle Ca 2 tabanlı nanoformülasyonlar üzerine yoğunlaşılmıştır. Yapılan çalışmalarda nano-solüsyonların tedavi sırasında yapının ne denli içine işleyebildiğine dair elektron mikroskobu görüntüleri ele alınmış, penetrasyon derinliği ve adhezyon gücü etkileri nano-solüsyonların uygulamadaki başarısını ortaya koymuştur. Restorasyon uygulamalarında kullanılan epoksi reçineler ile bu tez kapsamında malzeme geliştirme basamağında üretilen nano-formülasyonların başarısının, 3 Point Bending - 3 nokta eğilme testi kapsamında mukayese edilmesi amaçlanmıştır. 3 nokta eğilme testleri, Alman DIN EN 12372- 1999 standartlarına bağlı kalınarak ve 2. tip yeni doğal taş numunelerinin bu deney standartlarına uygun boyutlarda kesilmesi ile hazırlanmıştır. Bu tez kapsamında restorasyon malzemesi olarak yaygın kullanımı olan epoksi reçineler ile nanosolüsyonlar arasında bir karşılaştırma yapılması amaçlanmıştır. Nanosolüsyonların yapının iç yüzeyine penetre olabilmesi ve yapı iç strüktüründe karbonatlaşma reaksiyonu vermesi sonucunda yapı içinde kemikleşmesi ve bu sayede yapıya mukaveet kazandırması üzerinde yapılan deneysel çalışmalar, epoksi reçine ile yapılan deneysel çalışmalar ile mukayese edilecektir. Bu aşamada kullanılan epoksi reçine saf halinin yanı sıra 3 farklı şekilde modifiye edilmiştir, bu modifikasyonlar amacıyla epoksi reçine; düşük, orta ve yoğun konsantrasyon seviyesinde olmak üzere 3 farklı konsantrasyonda CNT karbon nanotüp ile kombinlenerek CNT epoksi reçine kombinasyonları oluşturulmuştur. Nanoformülasyonlar ile tedavi yöntemleri sonrasında F11 formülasyonu, işlem görmemiş hali 3 nokta eğilme mukaveeti testlerinde 2,6484 MPa max stress değeri olarak ölçülen dayanım kuvvetinin 11,0391 MPa değerine yükselmesini sağlamıştır. Ayrıca yine F11 formülasyonu ile elastisite değeri 3415, 33 N/mm 2 değerine kadar yükseltilmiştir. Bu inanılmaz mukaveet artışı ve elastisite kazanımı nanopartiküllerin yapı içerisine tam olarak penetre olmasıyla ve ardından yapı bileşimine katılarak yapı bünyesinde karbonatlaşma reaksiyonu vermesiyle mümkün olmuştur. F11 formülasyonunda nano ve mikro nanopartiküller bir arada kullanılmış ve etkin bir konsolidasyon sağlanmıştır. Bu tedavi yönteminin tarihi yapılarda özellikle mukaveetin arttırılmasına ihtiyaç duyulan kubbe ayağı gibi önemli ölçüde yük taşıyan yerlerde kullanılması yapıların günümüz ileri teknolojilerinin el verdiği imkanlarla en doğru şekilde restore edilmiş olmasını sağlayacaktır. Yapılan deneylerde epoksi reçine uygulaması sonuçları, piyasada mevcut olan en iyi kalite epoksi reçine seçilmiş olmasına rağmen, nanotedavi yöntemlerine nazaran çok daha başarısız sonuçlar vermiştir. Ayrıca epoksi reçine yapı bünyesine penetrasyon sonrası yapı malzemesinde geri dönüşü mümkün olmayan hasar, doku farklılaşması ve renk değişikliklerine neden olmuştur. Bütün bu testler Avrupa'da özellikle Almanya ve İtalya'da son yıllarda uygulamaları etkin olarak başlatılan nano formülasyonlarla restorasyon tedavilerinin şu an günümüzde uygulanabilecek ve tercih edilebilecek en doğru tedavi şekli olduğu gerçeğini ortaya çıkarmıştır. F20 nolu formülasyon 3 nokta eğilme muaveeti testlerinde, koruma ve restorasyon açısından çok önemli olabilecek, önemli bir sonuç ortaya çıkarmıştır. F20 formülasyonu diğer tüm tedavilerden farklı olarak 3 nokta eğilme mukaveeti testi sırasında ani yük altında kırıldıktan sonra bile mukaveetini kaybetmeyerek tezin sonuçlar kısmındaki grafik üzerindeki gösterimde ikinci bir pik daha oluşturmayı başarmıştır. Bu formülasyonun tarihi yapıların deprem gibi ani yük altında etki edebilecek ve yapıya ani hasar verebilecek temel taşıyıcı noktalara uygulanması, deprem yükü altında bile yapının mukaveetini koruyarak yıkılmasının engellenmesi anlamına gelmektedir. Ani yük altında kırılmanın gerçekleşmesinin ardından yapının durabilitesini, stabilitesini koruyabilmesi ve yeniden ikinci bir yüke bile belli ölçüde dayanabilmesi F20 nanoformülasyonu ile mümkün olmuştur. Bu senaryo adeta bir depremi anımsatır, ani büyük bir deprem sonrasında gelişen daha küçük sarsıntılar sırasında bile yapının konsolidasyon etkisinin korunması sağlanmıştır. Nanoformülasyonlar ile tedavinin etkili sonuç verdiği bir başka önemli nokta ise yapı malzemesinin yük altında kırılmadan önce stabil kalabildiği süreyi uzatmak olmuştur. Deneyler sonucunda işlem görmemiş saf haldeki Barshan doğal taş numunelerinin yük altında dayanım süresi sadece 27 saniye iken, F1 nanoformülasyonu ile bu sürenin 150 saniyeye kadar arttırıldığı tespit edilmiştir. Nanoformülasyon kullanılarak uygulanan nano restorasyon tekniği Avrupa'da son yıllarda hak ettiği değeri görmüş ve bu alanda Avrupa Komisyonu tarafından önemli projeler başlatılmıştır. Bu tez kapsamında ulaşılan başarılı sonuçlar bu tekniğin Türkiye'deki restorasyon uygulamalarında da başlatılabilmesi ve sürdürülebilmesi için cesaret vericidir. Türkiye'de bundan sonra yapılacak olan anıtsal yapı restorasyonlarında bu tekniğin uygulanması, ülkemizin de artık Avrupa'da özellikle de Almanya ve İtalya'da kabul görmüş ve son yıllarda başarı ile uygulanan bu tekniğe yönelimin arttırılması, kısa süreli geçici çözümler değil, uzun süreli kalıcı gerçek çözümler üretilmesi yönünde önemli bir adımdır. Özellikle anıtsal yapı uygulamalarında epoksi reçine uygulanmasına ve yapıya geri dönüşü mümkün olmayan kalıcı hasarlar verilmesine bir son verilmelidir. Bir kimya mühendisi ve bir mimar olarak dileğim tarihi kültür mirasımızın en doğru şekilde restorasyonu ve kalıcı konsolidasyon etkisinin kazandırılması amacıyla, yurtdışında gidip yerinde gördüğüm ve hayranlıkla izlediğim, tekniklerini anlamaya çalıştığım, öğrendiğim bu uygulamaların kendi ülkemde de kabul görmesi ve en başarılı şekilde uygulanmasıdır. Avrupa ülkelerinde artık anıtsal tarihi yapılar için en uygun tekniğin nano-restorasyon uygulaması olduğu Avrupa Komisyonu 7. çerçeve projeleri kapsamında çalışılmış önemli projeler ile kanıtlanmıştır. Dünya bu alana yönelirken, kendi ülkemizde de anıtsal yapıların buna değer olduğunun düşünülmesini ve bu bağlamda Vakıflar Müdürlüğü, Kültür Bakanlığı gibi ilgili mercilerin ülkemizin bu alana yönelimi için gerekli yardımları göstermelerini saygılarımla rica ederim.