Yeni araştırmalar; bir ipekböceği lifinin nano-mimarisinin, çeşitli yeniliklerle, ışık nakli ve ısı transferini daha iyi anlamasına yol açabilecek bir bulgu olan ‘Anderson’un Lokalizasyonu’ nu nasıl oluşturduğunu gösterdi.
Bu keşif, Nobel Ödüllü Philip Anderson‘ın Teorisi’ne göre; fenomeni gerçekleştiren sentetik materyallerin ve yapıların oluşturulması için, elektronların saçılma ve kusurlarına bağlı olarak materyalde nasıl durdurulabileceğini açıklamalarına da yardımcı olabilir. Yeni bulgular elektronlarla değil; hafif taşıma işlemleriyle ilgilidir.
Araştırmacılar, ipek liflerin nano-mimarisinin; yeni medikal terapi türleri ve biyolojik algılama sistemleri için ışık kullanan yenilikler de dahil olmak üzere bir dizi teknolojik uygulama sağlayabilecek, hafif bir “hapsetme” yeteneğine sahip olduğunu gösterdi. Purdue Üniversitesi Weldon Okulu Biyomedikal Mühendisliği Yardımcı Doçenti Young Kim; biyolojik ve doğal dokudaki beklenmedik ışık kısıtlayıcı etkisinin, ışığın Anderson Lokalizasyonu tarafından mümkün kıldığını söyledi.
Yeni bulgular, ipek elyafların ‘doğal meta-materyaller*’ ve ‘doğal metastazlar’ olduğunu gösteriyor.
*Meta-materyal, doğadaki malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanan yapay malzemelerdir.
Çeşitli araştırma grupları; ultra verimli ışık kontrolü yapabilen sentetik ‘meta-materyaller’ yarattı. Bununla birlikte, meta-materyallerin kısıtlılıkları vardır. Çünkü ticari üretim için ölçeklendirmek genellikle zordur ve daha başka zorluklar ortaya koymaktadır. İpeğin nano-mimarisi titizlikle tasarlanmış, periyodik yapılar yerine “düzensiz” olduğundan bulgular; imalatı ve üretimi daha ucuz olan ve sanayi için ölçeklenmeyi kolaylaştıran meta-materyalleri üretmek için bir strateji önermektedir.
Kim: “Anderson’un Lokalizasyonu’nu gerçekleştirmenin son derece zor olduğunu biliyoruz. Bununla birlikte, ipekböceği ipekli bir elyaf üretip, güçlü ışık saçılımıyla doğada bir kozanın kabuğunu döndürdüğü için, paketlenmiş nanomalzemeler yaratma konusunda son derece düzensiz nano-yapılarda başarılı olabiliriz.”
Bulgular Nature Communications Dergisi’nde 31 Ocak Çarşamba günü yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak belirtildi.
İpeklerin beyaz, gümüş ve parlak yansımalarının altta yatan sebeplerini daha iyi anlamak için araştırma yürüten Kim, “Bulgularımız meta-materyaller için yeni olanaklar yaratabilir” diyor ve ekliyor; “Bunun bir zıtlık olduğunu biliyorum, fakat durum, bize ipek elyafların ‘doğal meta-materyalleri’ ve ‘doğal meta-yapıları’nın olduğunu gösteriyor.”
İpek elyaflar; çapı 10-20 mikron olup; her biri yaklaşık 100 nanometre genişliğinde binlerce küçük nanofibril içerir. Perspektif olarak, insan saçı yaklaşık 100 mikron çapındadır.
İpek elyafın içinde çok sayıda “saçılma merkezi” vardır. Anderson Lokalizasyonu; nanotelin bozulmasıyla ışık dağılımından kaynaklanır.
Anderson Lokalizasyonu’nun gerçekleşmesi için, dağınık ışık dalgaları arasında saçılma ve parazit olmalı. Yoğun bir şekilde birleşmiş, düzensiz nanoyapılar; ışık dalgalarının birbirine, bazen yıkıcı ve bazen de yapıcı yollarla müdahale etmesine neden olur. Yapıcıysa, ışık yoğunlaşır.
Baş yazar Choi: “Dalgalar yapıcı bir şekilde müdahale ederse, bu bozuk alanda çok yüksek bir enerji oluşturur.”
Nanofibrillerin (nano cinsinden lif) küçük boyutu ve kabaca paralel düzeni etkiye elverişlidir. Saçılma gücünün çoğu; saçılma merkezinde ve boyutları ışık dalga boyuyla karşılaştırılabilir olduğunda, ipek liflerde bulunan her iki kritere göre en üst düzeye çıkar.
Ticari optik fiberler;ışığın sınırlanmasına izin vermek için, yansıtıcı bir kaplamayla özel olarak tasarlanmış olursa; ipek lifleri ışığın Anderson Lokalizasyonu nedeniyle doğal olarak başarılı olabilir. Anderson Lokalizasyonu, dikkatli bir şekilde tasarlanmış periyodik yapılar olmadan ise; ışığın sınırlandırılmasını olanaklı kılacak “mod” lar yaratır. Bunun yerine aynı sınırlama; düzensiz, daha rastgele tasarımlarla mümkündür.
Kim: “İpek yüzeyinin çoğunda ışık iletiminin çoğunun ortadan kalktığını gördük. Ancak karşıt olarak, küçük bir alanda enerjinin sınırlandığını da tespit ettik. Bu sınırlı enerji yerelleştirilmiş modlarla iletildi. Yerelleştirilmiş mod, enerji akışı için benzersiz bir yol.”
İpek gibi biyolojik yapılar; dağınık ışık olmasına rağmen, benzer mikro yapıya sahip diğer doğal malzemelerle, ışığın Anderson Lokalizasyonu yapabilen lokalize modlara sahip değildir.
İpek; kızılötesi ışık için yüksek bir emissiviteye (salınım) sahiptir, yani aynı zamanda güneş ışığının iyi bir reflektörü olmakla birlikte kolayca ısıyı veya kızılötesi radyasyonu yayar. Anderson Lokalizasyonu’ndan gelen güçlü yansıma oranı; kızılötesi ışınımdaki biyomoleküllerin yüksek emisyon değerleri ile birleştiğinden, ipek emilenden daha fazla ısı yayar. Bu yüzden pasif olmak ya da ‘kendini soğutmak’ için ideal hale getirir.
Kim: “İpek iç çamaşırı; sizi yaz aylarında daha serin, kışın ise daha sıcak tutabilir. Çalışmada da bu gözlemin temel mekanizmasını öğrendik ve kullandık.
Bulgularımız; mühendislik, enerji ve biyomedikal alanlar için keşfedilmemiş büyük fırsatlar yaratabilir. Ancak, doğrudan uygulamalar mümkün olsa da, gelecekte malzeme sentezini ve tasarım süreçlerini geliştirmeye yardımcı olmak için, ipekten ve kozasından öğreneceğimiz çok şey var.”
