Doğal
Fotonik Yapılar
Teknolojinin
>>>
F
izikçilerin, biyologların vemühen-dislerin ortaklaşa yürüttüğü disip-linlerarası araştırmalarla fotonla-rın sentetik yapılar kullanılarak işlenme-ye başlanmasından milyonlarca yıl ön-ce, canlılar vücutlarındaki nanometre bü-yüklüğündeki üç boyutlu yapıları kullana-rak gözalıcı, rengârenk optik efektler oluş-turuyordu bile. Kuşların renkli tüyleri, ba-lıkların ve kelebeklerin renkli pulcukları, böceklerin kabukları ışığı yansıtan, kat-manlar halindeki mikroskopik kristal ya-pılarla kaplı. Birçok canlının tüylerinde ya da vücutlarındaki bu çok küçük, farklı desenli, üç boyutlu nanoyapılar parlak ve canlı sarı, yeşil, mavi gibi gökkuşağı renk-lerinin oluşmasını sağlıyor. İşte bu doğal fotonik kristal yapılar, keşfedildikleri an-dan itibaren merak uyandırmaya ve yeni nesil, yüksek teknolojik uygulamalar için ilham kaynağı olmaya başlamış.
Fotonik Bilimi ve
Uygulama Alanları
Fotonik bilimi ve teknolojisi, ışık ta-neciklerinin yani fotonların kontrol edil-mesi, algılanması ve işlenmesi yönünde araştırmaların yapıldığı bir çalışma alanı olarak tanımlanabilir. Fotonik bilimi son zamanlarda öyle bir yol kat etti ki evler-de, fabrikalarda ve araştırma laboratuvar-larında kullanılan birçok cihazın üretil-mesinde kullanılıyor. Fotonik malzeme-ler sayesinde ses, görüntü ve verimalzeme-ler çok daha hızlı ve verimli bir şekilde iletilebi-liyor, saklanabiliyor ve işlenebiliyor. Küt-lesiz, elektrik yüksüz ve ışık hızındaki fo-tonlar birçok uygulamada elektronların yerini almaya başladı bile. Fotonik bili-mi ve modern optik teknolojisi günümüz-de hem Nobel Ödülü kazandıran hem günümüz-de milyarlarca dolarlık endüstriyel yatırımla-rın yapıldığı bir çalışma alanı haline geldi.
Fotonik biliminin günümüzde çok faz-la uygufaz-lama afaz-lanı olduğunu görüyoruz: • Tüketici odaklı cihazlar: barkot
okuyu-cular, lazer yazıcılar, CD/DVD/Blu-ray ve uzaktan kumanda cihazları
• Telekominikasyon ve bilgisayar: fibe-roptik iletişim, optik çeviriciler, mikro-çipler, bilgi işleme ve depolama • Tıp: lazerli operasyonlar
• Endüstriyel üretim: lazerlerle yapılan kaynak, sondaj, kesim ve yüzey dü-zeltme
• İnşaat: lazerlerle seviyelendirme, me-safe ölçme, zekice tasarlanmış mima-ri yapılar
• Askeriye ve havacılık: fotonik jiroskop-lar (kara, hava ve deniz araçjiroskop-ları ile gü-dümlü füzelerde denge veya istikamet istikrarını korumak için kullanılır), al-gılayıcılar, navigasyon, arama kurtar-ma, mayın tarakurtar-ma, komuta ve kontrol cihazları
• Eğlence: lazer gösterileri, ışık efektleri • Ölçümbilim: zaman, frekans ve
mesa-fe ölçümü
• Fotonik hesaplamalar: bilgisayarlar, baskılı devre kartları ve optoelektronik entegre devreler arasında iletişim Tüm bu uygulamaların başlangıç nok-tasının doğanın ta kendisi olduğunu söy-lersem şaşırmazsınız değil mi?
Fotonik Kristaller ve
Optik Yansımanın
Mekanizmaları
Kuşların tüylerindeki, kelebeklerin kanatlarındaki, bazı kabuklu böceklerin, mürekkep balığının ve deniz yıldızları-nın vücudundaki yoğun, parlak, gözalıcı renkler ışığı emen pigment maddeleri ta-rafından değil de belli bir geometrik dü-zende ardışık olarak dizilmiş minik foto-nik kristal yapılar tarafından ışığın yan-sıtılması sonucunda oluşuyor. Vücutta-ki fotonik yapıların büyüklükleri, dizi-liş desenleri, birbirleri arasındaki mesa-feler ve hava boşlukları, ışığın geliş açı-sı, Güneş’ten gelen ışığın belirli dalga bo-yunda ışık tayflarına ayrışmasını sağlı-yor. Bu şekilde farklı farklı renkler oluşu-yor. Oluşan farklı renk tonları çoğunluk-la yanardöner, metalik, parçoğunluk-lak nitelikte. Canlıların üzerinde oluşan renkler, on-lara hangi açıdan baktığımıza bağlı ola-rak değişebiliyor. Ayrıca, ilginç bir şekil-de, oluşan renkler canlının tüyleri ya da kanatları ıslanınca kayboluyor, ton değiş-tiriyor ya da tamamen farklı bir renk alı-yor. Bu renk cümbüşü, küçük aralıklarla birbirinden ayrılmış yapıların şeklinden dolayı oluşuyor.
Canlıların ilginç ışık oyunları sonucunda
vücutlarında oluşan doğal renk cümbüşünün
altında yatan gerçek mekanizma, yeni
teknolojik tasarımların ve ürünlerin
geliştirilmesi yönünde bilim insanlarına
ilham veriyor
Canlıların vücutlarındaki bu yapıla-rın aralayapıla-rındaki mesafeler gözle görülen ışığın dalga boyları ile hemen hemen ay-nı, bu nedenle bu yapılar ışınların kırını-ma uğrakırını-masına neden oluyor. Bu yapılar ve aralarındaki hava boşlukları, geomet-rik desenler ve katmanlar halinde foto-nik kristal yapıları oluşturuyor. Canlının vücuduna gelen belli dalga boylarındaki ışınlar, bu katmanlı yapılar arasından ge-çerken birbirleriyle yapıcı veya yıkıcı ola-rak etkileşime giriyor ve sonuçta yansı-yan ışıkta bazı renkler ağır basarken diğer renkler baskılanıyor. Yapılar arasındaki mesafelerde görülen farklılıklar eğer bel-li bir rengin dalga boyunun tam katı ise, dalgayüzü eşuyumlu olur. Böylece ışınlar, o rengi yansıtacak şekilde “yapıcı” girişi-me uğrar. Eğer dalgayüzü eşuyumlu değil-se, rengin görülmesini
en-gelleyen “yıkıcı” girişim gözlenir. Sabun köpükle-ri üzeköpükle-rinde oluşan renkleköpükle-ri gözünüzde canlandırın. Gün ışığı köpük kabarcığına çarp-tığında oluşan renkler kabarcı-ğın kalınlıkabarcı-ğına göre değişir. Yüzeyi parlak bir CD’yi öne arkaya hareket ettir-diğimizde farklı tonlarda oluşan gökkuşa-ğı renklerini gördüğümüzde de benzer bir olguya tanık oluyoruz.
Kelebeklerin kanatlarındaki, ışığı yan-sıtan yapıların ana maddesi doğal bir po-limer olan kitin adlı madde. Kanatların pulcuklarının yer aldığı üst tabakada (epi-derm veya kütikül) bulunan ve kitinden oluşmuş bu yapıları birbirlerinden hava ile dolu boşluklar ayırıyor. Kuşların tüy-lerindeki fotonik yapıların ana maddesi
ise melanin ve keratin. Dışarda do-laşırken sıkça karşılaştığımız gü-vercinlerin boyunlarında-ki yanardöner tüylerin
nasıl yeşilden eflatu-na doğru renk değiştir-diğini görmüşsünüzdür. Yeşil ve eflatun tüylerin yapısı ince-lendiğinde iliksi tabakayı çevreleyen üst katmanın keratinden oluştuğu görülmüş. Keratin yapının kalınlığı, tüylerde oluşan yeşil ve eflatun renkleri belirliyor.
Doğal Fotonik
Yapıların Keşfi
Canlıların vücutlarındaki bu nano bü-yüklükteki yapıların ışığı nasıl işleyip de-ğiştirdiği ve yansıttığı bilim insanları ta-rafından 17. yüzyıldan itibaren detaylı bir şekilde incelenmiş. Robert Hooke ve Isa-ac Newton bu sistemin altında yatan fi-ziği açıklayan ilk bilim insanlarından.Ta-vuskuşunun kanatlarında ve böceklerin kabuklarında görülen yanardöner, meta-lik parlak renklerin pigmentasyon sonu-cunda değil, canlıların fiziksel özellikleri nedeniyle oluştuğunu doğru olarak tah-min etmişler. Hooke ve Newton’dan son-ra, elektron mikroskobun biyolojik çalış-malara girdiği 19. yüzyıla kadar, bu yapı-lar üzerinde fazla çalışma yapılmamış. Ja-mes Clerk Maxwell’in elektromanyetik ışımanın madde ile nasıl etkileşime geç-tiğini açıklayan matematiksel modelle-ri geliştirmesinden sonra, yüzeydeki belli bir geometrik düzende, ardışık olarak di-zilmiş yapıların ışığı nasıl ilettiği, yansıttı-ğı ve emdiği daha iyi anlaşılmaya başlan-mış. Ardışık yapıların arasındaki mesafe-lerin ışığın kırılma oranını ve nasıl yayıl-dığını etkilediği belirtiliyor.
>>>
Doğal Fotonik Yapıların
Teknolojiye Uyarlanması
Günümüzde birçok canlının kamuflaj, avcılardan korunmak ve cezbetmek ama-cıyla kullandığı renk yansıması olgusuna neden olan biyolojik düzenlemeler ve de-senlerin işleyiş mekanizmaları mühendis-ler tarafından taklit edimühendis-lerek optik tekno-lojide model olarak kullanılıyor. Bu şekil-de elşekil-de edilen yeni nesil malzemeler saye-sinde daha parlak görüntüler elde edilebi-liyor; içme sularındaki zararlı kimyasalla-rı daha hassas bir şekilde saptayan sensör-ler, bilginin daha etkin ve hızlı bir şekil-de şekil-depolanmasını, işlenmesini ve iletilme-sini sağlayan bilgisayar çipleri tasarlanabi-liyor; banka kartlarına güvenlik amacıyla taklit edilmesi mümkün olmayan işaretler yapılabiliyor.
Optik sanayisinde fotonik malzemeler-den yapılmış, ışığı seçerek belli bir renk-te yansıtan ve ilerenk-ten ince ve çok katmanlı filtreler, teleskoptan yarı iletken lazerlere, hassas dedektörlerden tıbbi ölçüm aletle-rine kadar pek çok ürünün geliştirilme-sinde kullanılıyor.
Deniz faresi (Aphrodita) olarak bili-nen organizmanın omurlarından dışarıya doğru uzanan tüylerde altıgen
şeklinde dizilmiş, fotonik kris-tal fiber yapılar bulunur. Kitin-den yapılmış olan bu kristal fiber yapılar üzerlerine gelen ışığı işle-yerek kırmızı rengi yansıtır. Bu de-niz canlısından ilham alınarak ge-liştirilen sentetik fotonik kristal fi-berler, telekomünikasyon alanın-da büyük gelişmelere neden oldu. Bilgi-nin elektrik kabloları aracılığıyla değil de
optik olarak kabloların içinden geçen ışık demetleri halinde iletildiği teknoloji (fibe-roptik) artık yaygın bir şekilde kullanılı-yor. Fotonik kristaller ışığı çok dar alan-larda bile kolaylıkla yönlendirebildiği için bilgisayarlarda ve cep telefonlarında elekt-ronik çiplerin yerine artık fotonik kristal malzemelerden yapılmış optik mikroçip-ler kullanılıyor.
Lamprocyphus augustus adlı
ka-buklu böceğin, her ne açıdan bakılırsa bakılsın, bariz olarak görülen
yanar-döner metalik yeşil renginin altında yatan mekanizma araştırıldığında, ışığı yansıtan kristal yapılar
için-de en makbulü olan tet-rahedral yani dört yüz-lü fotonik yapılarla karşılaşıl-dı. Bu yapının şekli karbon atomlarının elmastaki
yerleş-masa benzeyen bu yapı, gözle görülen ışığı yansıtan fotonik kristaller içinde en etkili olanı, çünkü yansıtma özelliği çok yüksek, yani çok geniş bir yelpazede, farklı renkle-ri yansıtabiliyor. Bu da araştırmacılara fo-tonları daha iyi kontrol edebilme ve işle-me imkânı sağlıyor.
Mavi Morpho kelebeğinin kanatları-nın pulcuklarındaki kitinden oluşan na-no büyüklükte yapılar, tıpkı bir çam ağa-cının dalları gibi yüzeyden dışarıya doğ-ru katmanlar halinde uzanır. Birbirine pa-ralel olarak uzanan yapıların her biri ka-nadın üzerine gelen ışığın nerdeyse tama-mını mavi renkte yansıtır. Bu kelebeklerin parlak mavi renkteki kanatları çok uzak
lar ıslandığında ise ışığın kırılımı deği-şir. Farklı sıvıların farklı kırılım derecele-ri olduğundan, sıvının cinsine göre farklı renkler yansır. Bilim insanları Morpho ke-lebeğinin bu fotonik yapısını model ala-rak farklı sıvıları kendilerine karşılık gelen renklerle ayırt edebilen ve tanımlayabilen kimyasal sensörler geliştirmiş. Bu sensör-ler sayesinde enerji santralsensör-lerinde meyda-na gelen birtakım istenmeyen salımlar ve içme sularındaki zararlı yabancı maddeler kolayca belirlenebiliyor.
Parides sesostris türü kelebeğin
kanat-larındaki, yama yapılmış gibi görünen ye-şil renk, delikli ve süngerimsi yapıdaki fo-tonik nanoyapıların ışığı yansıtması sonu-cunda oluşuyor. Pulcuklarda dizilen bu delikli kristal yapı detaylı olarak incelen-diğinde, kelebeğin embriyonik gelişimin-den itibaren lipidlerin bu üç boyutlu de-likli yapıyı oluşturduğu ve daha sonra ki-tinin bu deliklerin etrafını kuşatarak yapı-yı sertleştirdiği belirlenmiş. Bu biyolojik düzenin benzerini yapmaya çalışan araş-tırmacılar lipid benzeri yüzey aktif mad-deleri kullanarak süngerimsi yapıya
ben-polimerler, niyobyum ve titanyum oksit nanoparçacıkların mineral benzeri nano-sünger yapılara dönüştürülmesinde kulla-nılmış. Hem verimli hem de maliyeti dü-şük olan güneş gözesi yapımında da bu delikli malzemeler yaygın bir şekilde kul-lanılıyor.
Çatalkuyruk kelebeğinin (Papilio
pali-nurus) kanatlarındaki parlak zümrüt
ye-şili rengi oluşturan fotonik kristal yapı-lar mikroskopla incelendiğinde, kanat-ların pulcukları üzerinde yan yana dizil-miş çukur kâselere benzeyen kristal yapı-ların bir desen oluşturduğu görülmüş. Bu çukur, yuvarlak kitin yapıların aralarında-ki hava boşlukları ise bir ayna vazifesi gö-rüyor. Çukur fotonik yapıların alt kısımla-rı yani tabanlakısımla-rı sadece sakısımla-rı ışığı, yan yü-zeyler ise mavi ışığı yansıtıyor. Gözümüz bu kadar küçük ölçekte sarı ve mavi yan-sımayı ayırt edemediği için ikisinin karı-şımı olan yeşil rengi görüyor. Bu doğal fo-tonik yapıyı ince filmlere uygulayan mü-hendisler banka kartlarının arkasındaki hologramlı bandrolleri geliştirmiş. Band-rolün yüzeyinde sadece parlak yeşil yansı-mayı görebiliyoruz, ama aslında bu yüzey-de gizli kalan, taklit edilmesinin mümkün olmadığı söylenen ve sadece polarize filt-relerle ayırt edilebilen, sarı ve mavi renkli filigranlar yani işaretler de var.
<<<
Boya ve yüzey kaplama malzemeleri üreten tek-nolojide de fotonik yapılardan esinlenilmiş. Böcek-lerin kabuklarındaki ve kuşların kanatlarındaki ya-pılar taklit edilerek delikli yapıya sahip malzemeler üretilmiş. Çok parlak beyaz ya da mavi-yeşil renkte, ince opak film şeklinde üretilen kaplama malzemele-ri organik pigment maddeler içermediği için hiç sol-madan canlı renklerini koruyor. Boya endüstrisinde fotonik yapılar kullanılarak üretilen malzemeler sa-yesinde aklınızın alamayacağı kadar çok renk tonu var. İlginç bir şekilde, bir yönden bakıldığında tama-men mavi, diğer yönden bakıldığında ise mor görü-nen otomobillerin çok yakın bir zamanda trafiğe çı-kacağı bildiriliyor. Bunun arkasında yatan mekaniz-ma, ışığın geliş açısına göre davranan ve reflektör iş-levi gören kaplama malzemeleri.
Cennet kuşunun (Parotia lawesii) erkeğinin göğ-sündeki tüyler yakından incelendiğinde melanin içe-ren fotonik yapılar sayesinde parlak turuncu ve sa-rı renkli yansımalar oluştuğu görülmüş. Aysa-rıca her bir tüycüğün kesit yüzeyinin “V” harfi şeklinde ve eğimli yapıda olduğu tespit edilmiş. Bu yüzey özelli-ği nedeniyle de mavi ışığın yansıdığı gözlenmiş. Er-kek kuş, dişisine kur yaparken tüylerdeki hafif kıpır-danmalar göğüs kısmındaki tüylerin renginin turun-cu-sarıdan mavi-yeşile dönmesine neden oluyor, bu da doğal olarak dişinin dikkatini çekiyor. Tekstil ve
otomobil endüstrisi bu “V” şeklindeki yapılanmayı taklit ederek hareket ettikçe renk değiştiren kumaş ve otomobil geliştirmeye çalışıyor.
Bilim insanları devam eden ve gelecek vaat eden bütün bu çalışmalarında kullandıkları verileri do-ğadan alıyor. Bu verilerden elde edilen bilgiler fo-tonik kristallerin sadece diziliş desenleri ve op-tik yapıları hakkında değil, işleyiş mekanizmaları hakkında da araştırmacıları aydınlatıyor. Öyle gö-rünüyor ki doğadaki canlıların bizlere öğretece-ği şeylerin sınırı yok. Dikkatlice izlemeye ve ilham almaya devam.
Kaynaklar
Parker, A. R., “Natural photonics for industrial inspiration”, Philosophical Transactions of The Royal
Society, Sayı 364, s. 1759-1782, 2009.
Ball, P., “Nature’s color tricks”, Scientific American, s. 76-79, Mayıs 2012.
Vukusic, P., “Natural photonics”, Physics World, Cilt 17, Sayı 17, s. 35-39, 2004.
Vukusic, P. ve Sambles, J. R., “Photonic structures in biology”, Nature, Cilt 424, s. 852-855, 2003.
http://en.wikipedia.org/wiki/Photonics http://photonics.com/ http://rsta.royalsocietypublishing.org/ content/367/1894/1759.full.pdf http://144.173.231.195/research/emag/photonics/ pubs/pdf/Vukusic_PW_2004.pdf http://www.youtube.com/watch?v=xWuwbw7sdpk
