Okuma süresi: 7 dk

Ressamlar, boyarmaddeleri kullanarak, doğadaki varlıkların suretlerini/görünüşlerini binyıllardır katı yüzeylere aktarıyorlar. Ancak ilginçtir, doğal varlıklara rengini veren fiziksel olaylar çok farklı olabiliyor. Misal, bir havuca rengini veren olay pigment moleküllerinin gelen ışığı kısmi olarak soğurması iken; bir kelebeğe rengini veren, pigmentlerin yanı sıra kanatlarının mikro ve nano ölçekteki geometrik yapısı aynı zamanda. Kyoto Üniversitesi’nden M. Ito, A. H. Gibbons, E. Sivaniah ve çalışma arkadaşlarının Haziran 2019’da Nature’da yayımladıkları bir makale sayesinde ise, artık bizler de boyarmaddeleri kullanmadan pek ayrıntılı renkli tablolar yapma becerisine sahibiz: Organize Mikrofibrilasyon ile yapısal renk oluşturmak!

Yapısal renk olgusunu daha iyi kavramak için, pigmentler ile günışığı (beyaz ışık) arasındaki etkileşimin alışageldiğimiz renkleri oluşturması sürecine göz atmakta ve karşılaştırma yapmakta yarar var öncelikle. Bu amaçla, bir Hollanda havucu püresini birkaç dakika avcumuzda tuttuğumuz zaman elimizde gözlediğimiz belirgin turunculaşma olayı iyi bir başlangıç noktası sunuyor. Bu renklenme olayı, havuçtaki boyar maddelerden miktarca en baskın olan ve insan gözüne turuncu gözüken beta-karotenin elimize nüfuz etmesinden ileri geliyor. Beta-karoten molekülleri, kendilerine ulaşan günışığının mor ve mavi (ve kısmen de yeşil) kısımlarını oldukça yüksek oranda soğuruyor. Geriye kalan yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renklere denk gelen dalga boylarının toplamı ise gözümüze hakim bir turuncu olarak görünüyor.

Günlük dilde fosforlu diye anılan balık pulları, kelebek kanatları yahut tavuskuşu tüyleri gibi yapıların renkli görünmesini ise tek başına pigmentlerin ışık soğurma özelliğine dayanarak açıklamak mümkün değil. Hatta bazı durumlarda, pigmentlerin etkisi oldukça kısıtlı olabiliyor. Çünkü, bu gibi doğal malzemelerin rengini geometrik yapıları belirliyor büyük ölçüde. Mikrometrik ve nanometrik boyutlu bazı geometrik yapılar, üzerlerine düşen günışığını temel olarak geri yansıtmak yahut saçmak suretiyle gelen ışık ile tekrar buluşturabiliyor. Gelen ışık ile geri dönen ışığın buluşması esnasında, bazı dalgaboyları sönümlenirken, diğer bazı dalgaboyları ise birleşerek kuvvetleniyor (girişim olayları). Sonuçta, böylesi geometrik yapılara sahip yüzeyler bize kuvvetlenen dalgaboylarının renginde gözüküyor. Balık pullarını avucumuzda ne kadar tutarsak tutalım, elimizde homojen bir renklenme olayı gerçekleşmemesi de yine aynı gerekçeye dayanıyor. Yapısal renklenmeye yol açan geometrik yapılar, düzenlerini koruyarak elimize nüfuz edemiyor. (Aşağıda, mavi renkli Morpho cinsi bir kelebeğin fotoğrafı ve taramalı elektron mikrografı görülmektedir.)

Yapısal renklenme etkisinden yararlanan malzeme sistemleri üretmek için yıllardır uğraşılıyor. Çokkatmanlı filmlerden, yan yana dizilmiş mikro/nanoküreciklere kadar çok çeşitli geometrik yapılardan yararlanılan yapısal renkli görsel öğeler çeşitli araştırma grupları tarafından daha önce üretildi. Fakat, yapısal renklenme etkisi gösteren bir malzemeyi bir nevi yüksek çözünürlüklü baskı tekniği olarak kullanmak pek de mümkün değildi. Ito ve arkadaşlarının tarif ettiği Organize Mikrofibrilasyon yöntemi sayesinde ise pek ayrıntılı görsellerin minik baskılarını üretmek artık mümkün. (Aşağıda, ahşap baskı tekniği ile üretilmiş “Kanagawa Açıklarında Dalga Arkası” adlı tablonun fotoğrafı ve aynı tablonun Organize Mikrofibrilasyon ile üretilmiş ufak bir replikasının mikrografı bulunuyor.) Ve bu baskılama sürecinin görece basit bir yönteme dayandığını söyleyebiliriz.

Araştırmacılar, ilk olarak parlak bir yüzeyi yaklaşık 1 mikron kalınlığında bir polimer (örneğin polistiren) ile kaplıyorlar. Daha sonra, polimer filmin üzerine çeşitli desenlerden oluşan maskeler yerleştiriyorlar ve çeşitli dalgaboylarında morötesi ışık tutuyorlar. Maske, ışık geçişini yer yer kesiyor. Maskeden geçen ışık ise, saydam yapılı polimer filmi de geçip zemindeki parlak yüzeye ulaşıyor (misal silikon tabaka). Parlak yüzeyden yansıyan ışık yeni gelen ışık huzmesi ile buluştuğunda ise girişim (“interference”) denen bir fiziksel olay gerçekleşiyor ve durağan dalgalar (“standing wave”) oluşuyor. Oluşan durağan dalga yapısı polimer filmin içinde periyodik olarak kimyasal bağların oluşmasına yol açıyor. Sonuçta, ışık tutulan film, içinde bir örüntü işlenmiş bulunan çokkatmanlı bir yapıya dönüşüyor. Ancak arzu edilen renklenme bu aşamada henüz ortaya çıkmıyor.

Elde edilen çokkatmanlı ve içine örüntü işlenmiş durumdaki film, çok da iyi (etkili) olmayan bir çözücünün (örneğin asetik asit) içine daldırıldığında ise, kimyasal bağlarla bağlanmış katmanlar çözünme (şişme) eğilimi göstermezken, kalan kısımlar içlerine çözücüyü alarak şişiyorlar. Bu esnada, şişen katmanların içinde boşluklar oluşuyor. Nihayetinde, şişmeyen katmanlar birbirine ince borucuklarla bağlanmış gibi bir yapıya kavuşuyor (fibrilasyon olayı). (Organize Mikrofibrillasyon ile üretilmiş bir polistiren film aşağıda görülmektedir.) Ortaya çıkan çokkatmanlı ve fibrilli yapılar filmler ise yapısal renklenme etkisi gösterebiliyor. Gelen ışığın dalga boyu başta olmak üzere, birçok etmeni değiştirmek suretiyle, sonuçta elde edilen renk kontrol edilebiliyor.

Pigmentlerin büyük bir kısmı zamanla solarken, yapısal renklenme gösteren bu malzemeler, geometrik yapıları bozulmadığı sürece, canlılığını koruyabiliyor. Dolayısıyla, araştırmacılar, Organize Mikrofibrilasyon ile elde edilen yapısal renkli malzemelere uygulama alanları bulabilmek konusunda umutlular. Bu amaçla, tekniği daha geniş yüzeylere uygulayabilmek ekibin halihazırda üzerine yoğunlaştığı konular arasında. Bu tekniğe dair sizin de heyecan verici fikirleriniz var ise, araştırmacılara www.Pureosity.com sitesinden ulaşabilirsiniz.

Yazar: H. Enis Karahan
Editörler: Pınar Önal, Güney Akbalık, Ömer Sümer, Onur Pusuluk

Görseller

Kelebek fotoğrafı | Pexels.com sitesinden ulaşılmıştır. Görsel yükleyen kullanıcının adı: Pixabay. Lisans türü: CC0, kamu malı.

Kelebek mikrografı | Nanoscale Informal Science Education Network sitesinden ulaşılmıştır. Sağ alttaki yatay siyah çizgi 200 mikron uzunluğunu gösteren bir ölçektir. Lisans türü: CC BY-NC-SA 3.0 US.

Kanagawa Açıklarında Dalga Arkası | Katsushika Hokusai tarafından takriben 1829 ile 1833 yılları arasında ile üretilmiştir. Tablonun asıl adı: Kanagawa-oki Nami Ura. Lisans türü: CC0, kamu malı.

Mini tablo mikrografı | Organize Mikrofibrilasyon ile üretilmiş bir minik replika. Sağ alttaki yatay kırmızı çizgi 200 mikron uzunluğunu gösteren bir ölçektir. M. Ito tarafından sağlanmıştır. Her türlü kullanım hakkı saklıdır.

Polistiren film mikrografı | Organize Mikrofibrilasyon ile üretilmiş bir filmin kesit görüntüsü. Alttaki beyaz çizgi 1 mikron uzunluğunu gösteren bir ölçektir. M. Ito tarafından sağlanmıştır. Her türlü kullanım hakkı saklıdır.

Kaynaklar

A. Airoldi, J. Ferria, ve B. J. Glover, “The cellular and genetic basis of structural colour in plants,” [Bitkilerde yapısal renklenmenin hücresel ve kalıtsal temeli] Curr. Opin. Plant Biol., vol. 47, ss. 81–87, 2019.

Park, K. Koh, ve U. Jeong, “Structural color painting by rubbing particle powder,” [Parçacık pudralarını ovalayarak yapısal renk boyama] Sci. Rep., vol. 5, no. 1, s. 8340, 2015.

Sun, B. Bhushan, ve J. Tong, “Structural coloration in nature,” [Doğada yapısal renklenme]. RSC Adv., vol. 3, no. 35, s. 14862, 2013.

M. Ito ve ark., “Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer films,” [Organize mikrofibrilasyon kullanarak camsı polimerlerde yapısal renklenme]. Nature, vol. 570, no. 7761, ss. 363–367, 2019.