Görünmezlik Pelerini Gerçek Olacak mı?

Northwestern Üniversitesi'nden Koray Aydın ve Chad Mirkin, ışık bükme ve gizleme cihazlarının yapılmasını sağlayacak türünün ilk örneği olan teknik geliştirdi. Doç. Dr. Koray Aydın, çalışmanın detaylarını Independent Türkçe'ye anlattı.

Harry Potter'ın görünmezlik pelerini veya Star Trek'in görünmezlik aygıtı ile görünmezliğin mümkün olması için bilim insanları farklı çalışmalar yapmayı sürdürüyor.

Görünmezlik elde etmek teorik olarak mümkün olsa da doğada bulunan malzemelerdeki sınırlı optik özelliklerden dolay uygulamaya geçirilemedi.

Ama metamalzeme adı verilen ve laboratuvar ortamında dizayn edilip üretilebilen yeni optik malzemeler ile görünmezlik elde etmek mümkün olabilir. 

Northwestern Üniversitesi'nden Koray Aydın ve Chad Mirkin, ışık bükme ve gizleme cihazlarının yapılmasını sağlayacak, yeni optik malzeme ve cihaz sınıfları oluşturmak için türünün ilk örneği olan teknik geliştirdiler. 

İlk defa 2018 yılında Science dergisinde yayımlanan bu teknik, gizleme cihazlarında kullanılan yöntemler gibi ışığı bükebilen yeni malzeme sınıflarını yapma imkanı sağlayabilir.

Bilim insanları bu güçlü ve esnek tekniği, tıbbi ve çevresel kullanımlar için sensörler de dahil olmak üzere bir dizi uygulama için doğada bulunmayan malzemeler olan metamalzemeler inşa etmek için kullanabilecekler.

Farklı boyut ve şekillerdeki altın nanoparçacıklarını DNA ile birbirine bağlayarak doğada bulunmayan, yapay ve optik özellikleri ayarlanabilir metamalzemeler hem iki hem de üç boyutlu olarak geliştirildi.

Bilim insanları, belirli konfigürasyonlara sahip yapıların, görünür spektrum boyunca neredeyse her rengi sergilemek için parçacık tipi ve hem DNA deseni hem de dizisi seçimi yoluyla programlanabileceğini bildirdi.

Northwestern Üniversitesi'nden Doç. Dr. Koray Aydın, "Normalde laboratuvar ortamında üretilen optik malzemeler pasiftir ve bu özelikleri aktif olarak değiştirmek günümüzde önemli bir araştırma konusu. Çalışmamızda optik metamalzemelerde bugüne kadar elde edilen en yüksek ayarlanabilirlik aralıklarından birine ulaştık. Altın nanoparçacık şekli, boyutu ve aralığının hassas ve aşırı kontrolü ile sağlanan yeni metamalzeme platformumuz, yeni nesil optik metamalzemeler ve meta yüzeyler için önemli bir umut vadediyor" dedi.

"Mikro düzeyde görünmezlik mümkün oldu"

Görünür ışığın belirli dalga boylarını emen belirli nanoparçacık üst katmanlarını tanımlamak için sayısal simülasyonlar ve optik spektroskopi tekniklerinin bir kombinasyonunu kullandıkklarını söyleyen Doç. Dr. Aydın, çalışmaya dair şunları anlattı:

Çalışmamızda direkt olarak göstermiş olmasak bile bizim geliştirdiğimiz bu yeni üretim tekniği ile mikro düzeyde görünmezlik pelerini tasarlamak mümkün diyebiliriz. Çünkü geliştirdiğimiz teknik ile farklı şekil ve boyutlardaki altın nanoparcacıkları yine farklı uzunluğa sahip DNA iplikçileri ile birbirine istediğimiz gibi bağlayabiliriz. Bu da doğada şimdiye kadar görülmemiş optik özelliklere erişmeyi kolaylaştırıyor. Dünyada hali hazırda çalışılan hiçbir nanomalzeme üretim tekniği bizim geliştirdiğimiz teknik kadar yapısal ve fiziksel özelikleri kontrol noktasında geniş seçenek sunmuyor.  Aslında DNA kullanarak yaşamın önemli bir yapıtaşını da yaşayan bir optik malzemeye çevirmiş oluyoruz.

Araştırmacılar, DNA uzunluğundaki değişimin, siyahtan kırmızıya ve yeşile doğru bir renk değişimine yol açtığını ve optik özelliklerde aşırı ayarlanabilirlik sağladığını buldular.

Bu da herhangi bir uygulama için gerekli olan özelliğe sahip optik özelliklerin hem pasif hem de aktif olarak kontrol edilebilmesi ve ayarlanabilmesi anlamına geliyor.

DNA, nanoparçacıklara şekil değiştirme ve hafıza yetenekleri kazandırıyor

DNA ile birbirine bağlı kristallerin hasar ve deformasyon görmesinden sonra su eklemek orijinal şekillerine dönmesini sağladığı tespit edildi. 

Nature dergisinde yayımlanan makalede Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, nanoparçacıkların yüksek düzene sahip üç boyutlu dizileri olan koloidal kristallerin daha önce bilinmeyen bir özelliğini ortaya çıkardı.

Ekip, koloidal kristalleri tamamlayıcı DNA iplikçikleri ile tasarladılar ve su olmayan ortamda DNA'nın hidrojen bağlarını parçalayarak kristalleri buruşturduğunu buldu.

Ancak araştırmacılar su eklediğinde, kristaller saniyeler içinde orijinal hallerine geri döndü.

Bu yeni çalışma, bir kolloidal kristalin yapısındaki değişikliklerden sonra ortaya çıkan ve diğer kristal türlerinde erişilemeyen şekil hafızasını tanımlanmasını sağladı.

Çalışmada yer alan Northwestern araştırma ekibinden McCormick Mühendislik Okulu'nda elektrik ve bilgisayar mühendisliğinden Doç. Dr. Koray Aydın, "Deforme olmuş kristal parçalandığında tamamen farklı özelliklere sahip oluyor. Ama DNA adımlarını geri takip ediyor. Bir evin bir kasırga tarafından yıkıldığını, ancak fırtına geçtikten sonra her çivi ve tahtanın evi yeniden biçimlendirmek için orijinal yerlerine döndüğünü düşünün. Bu aslında nano ölçekteki bu kristallerde olan şeye eşdeğer" diye konuştu. 

Malzemeler hasar görse de eski haline dönebilecek

DNA ile  yapılan bu yeni malzemeler, bir kağıt yaprağı da dahil olmak üzere çoğu malzemenin kalıcı ve geri döndürülemez şekilde hasar görmesine neden olabilecek deformasyonlara dayanabilir hale gelmesini sağlayacak. 

Şekil hafızası özelliğinin, kimyasal ve biyolojik moleküller için dedektörlerde kullanılabileceği düşünülüyor.  

Aydın, çalışmanın detaylarını şöyle anlattı:

Yenilenme kabiliyetine sahip olan ciltteki hasar bile yara izleri bırakıyor. Bulduğumuz bu sonuçta ise, böyle bir şey olmuyor. Bu kristallerdeki DNA kodu onları orijinal hallerine geri döndürüyor.

Yeni malzemeler üretmeye giden bir yöntem bulundu.

Bir diğer çalışmada ise Northwestern Üniversitesi'nden araştırmacılar, içi boş metal nanoparçacıklardan (nanoçerçeve) oluşan superkristal üretme yönteminde önemli bir ilerleme kaydettiler.

Metalik nanoçerçeveler olarak adlandırılan küçük içi boş parçacıklar kullanan ve bunları uygun DNA dizileriyle değiştiren ekip, şimdiye kadar erişilmesi zor olan boyutlarda, 10 ila bin nanometre arasında değişen gözeneklere sahip açık kanallı süper kafesleri sentezleyebileceklerini keşfetti. 

Keşfedilen kontrol sayesinde, araştırmacıların bu kolloidal kristalleri moleküler depolama, ayırma, kimyasal algılama, kataliz ve birçok optik uygulamada kullanmalarını sağlayacak.

Nature  Dergisi'nde yayımlanan çalışmada, 12 benzersiz gözenekli nanoparçacık süper örgüsünü tanımlayarak yeni malzemeler üretmeye giden bir yol olacağı vurgulanıyor.

Doğadaki malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanan metamalzemeler, mikroskobik boyutlardaki yapıların tekrarlanan kalıplar olarak birleştirilmesiyle elde ediliyorlar.

Makalenin yazarlarından Doç. Dr. Koray Aydın, "Bu çalışmada, nanoçerçeve bazli süper-örgülerin negatif kırılma indisine sahip yeni optik metamalzeme türleri olabileceğini keşfettik.  Bu tür metamalzemeler, süper küçük nesnelerin mikroskopi ile görüntülenmesi olan süpermercek ve görünmezlik pelerini gibi heyecan verici uygulamalara olanak sağlıyor" dedi. 

Kelebek kanatlarında ve bukalemun derisindeki değişken renkler için  kolloidal kristaller kullanıyor.

Aydın, çalışma hakkında şunları söyledi:

Doğada, kelebek kanatlarında ve bukalemun derisindeki değişken renk de dahil olmak üzere organizmaların renklerini kontrol etmek için kolloidal kristalleri kullanır. Alışılmadık ve faydalı özelliklere sahip kristalleri sentezlemek için DNA'nın yeniden programlanabilme özelliğini kullanıyoruz. Konsepti içi boş parçacıklardan oluşacak şekilde genişletmek, kolloidal kristal oluşumunu anlamak ve kontrol etmek için daha evrensel bir yaklaşıma doğru atılmış büyük bir adım oluyor.

Araştırmacılar, gözenekli süper örgülerin doğada bulunmayan ve yalnızca mühendislik malzemeleriyle erişilebilen negatif kırılma indisi adı verilen ilginç bir optik davranış sergilediğini gösteriyor.

Bu yeni malzemeler bilim insanlarını ve mühendisleri yeni cihazlar yapmaya yönlendirecek. Araştırmacılar çalışmayı ilerletmek için işbirliği yapmaya devam ediyor.