52020Kas

Bazen görünen, bazen görünmeyen renkler olabilir mi? Gizli renkler tesadüfi olarak keşfedildi

Bazen görünen, bazen görünmeyen renkler olabilir mi? Gizli renkler tesadüfi olarak keşfedildi

Konu: Fizik

Okuma Süresi: ~7-8 dk.

Avustralya’da Melbourne Üniversitesinde araştırmacı olan Türk bilim insanı Dr. Eser Akınoğlu ve çalışma arkadaşları, tesadüfi bir biçimde daha önce fark edilmeyen renkleri gözlemlemek için alışılmadık bir yol keşfettiler. 

15 Ekim 2020

Araştırmacılar ilk kez fark edilen bu etkiyi oluşturmak için metalik alüminyum (Al) üzerine silisyum nitrür (Si3N4) ince filmi kapladılar. Bu etkiyi oluşturabilmek için Al ve Si3N4 ara yüzeyindeki elektrik alan (elektriksel yüklerin itilmesi ve çekilmesi yoluyla oluşturulan görünmez bir kuvvet) çok şiddetli olmalıdır. Bu şiddetli elektrik alan “optik girişim” (farklı ışık dalgalarının etkileşimi) ile birleştiğinde, malzemenin yüzeyinde bir ışık saçılması meydana gelir ve farklı aydınlatma koşullarında bakıldığında parlak renkler görülür.  

Advanced Optical Materials dergisinde yayınlanan bulgular, ışığın davranışı ve özellikleri hakkındaki mevcut anlayışımızı daha da genişletti. Ayrıca, çalışma sensör teknolojisinin gelişmesi ve yeni tip güvenlik araçları gibi pratik uygulamalara da yol açabilir. 

Peki, renkleri nasıl görürüz? 

Çevremizdeki çoğu nesne belirli bir renkte görünür çünkü güneş spektrumunun yalnızca bir kısmını soğururlar. Örneğin, bir ağacın yapraklarının bize yeşil görünmesinin nedeni, güneş ışığının kırmızı ve mavi bileşenlerini soğurmasıdır. 

Ancak bazı nesneler, hayvanlar ve malzemeler, içerdikleri özelliklerden dolayı (doğasından kaynaklanan) farklı bir şekilde renk oluşturur. Bunlar yapısal renkler olarak bilinir. Yapısal renkler genellikle ışığın kırınımıyla oluşturulur, ışık ışınları yüzeylerden yansırken birbirleriyle etkileşime girdiğinde (optik girişim yaptığında) meydana gelir. Gökkuşağı, suyun üstündeki renkli ince yağ tabakası yapısal renk örnekleridir ve efekt aynı zamanda tavus kuşu tüylerinin ve kelebek kanatlarının şaşırtıcı derecedeki canlı tonlarından da sorumludur.

Şekil 1. Tavus Kuşunun kuyruğunun bu göz alıcı canlı renkleri optik girişim olayının bir sonucudur.

Yeni bir yol 

Yukarıda bahsedilen olgular daha önce iyi bir şekilde açıklanmış olsalar da, sonuçlar benzer etkiler yaratmak için beklenmedik yeni bir mekanizma ortaya çıkardı.

Etki, aslında elektrik alan şiddetinin ve kullanılan malzeme türünün anahtar faktör olduğu, ışığın frekans seçici saçılımından dolayı yapısal renk oluşturmanın bir örneğidir.

ARC Centre of Excellence in Exciton Science’dan Dr. Eser Akınoğlu, beklenmedik bir şekilde tüm örneğin (üzerine ışık gönderilen Si3N4 ince film kaplı Al) her yönden çıplak gözle görülebilen canlı bir renk oluşturduğunu fark ettiğinde, altın nano-parçacıkları gözlemlemek için ışık mikroskobu kullanıyordu.

Dr. Eser, bu ilginç olayı açıklamak için Melbourne Üniversitesi, South China Normal Üniversitesi ve Bayreuth Üniversitesi’ndeki meslektaşlarından yardım istedi. Olayı doğru anlamak için ışığı saçabilen ve aynı zamanda kırınım veya girişim oluşturabilen ince filmler kullandılar. Sistem, büyük metalik Al örnekler üzerine Si3N4 ince film kaplamalar kullanılarak elde edilmiştir. 

Görsel: Jasmine Lynch. Araştırmada tanımlanan zıt durumları tasvir eden görsel. Solda, dağınık biçimde gelen ışık, ışığın her yönde yansımasıyla sonuçlanır (dağınık yansıma) ve resimde yeşil oklarla tasvir edilen ışımalar görülemez. Sağda, karanlık bir odada, odaklanmış bir şekilde gelen ışık belirli bir yönde ve parıltılı olarak yansıtılır (düz yanısma), saçılan ışık deneycinin bakış açısına göre farklı renklerde görülür ve ayrıca sağdaki resimde görülemeyen parıltılı ışınlar görülebilir


Aydınlatma koşulları değiştirildiğinde farklı renkler görünür hale geldi. Normal ışık altında, örnekler neredeyse tüm görünür ışığı  (yani beyaz ışık) yansıtan bir aynaya benziyordu. Ancak tepedeki ışıklar kapatılıp, örnek sadece bir ışık demeti ile aydınlatıldığında, canlı ve parıltılı renkler ortaya çıktı, yani görünür hale geldi (bkz. üstteki görsel). 

Şekil 2. Etkiye genel bir bakış. a) Farklı kalınlıklarda Al ve Si (silisyum) ile kaplanan örneklerin yansıyan renkleri. Görüldüğü gibi, üzerine farklı kalınlıklarda Si3N4 ince film kaplanan Si-tabanlı örnekler farklı renklere sahip iken (0 nm üzerinde film yok demek), üzerinde Si3N4 ince film kaplama olmayan Al- ve Si-tabanlı örnekler neredeyse bir ayna gibi davranır. b) Si-tabanlı örnek üzerinde oluşan optik girişim etkisi görünür bir renk ile sonuçlanır, burada magenta (eflatun). c) Ancak, Al-tabanlı örnek üzerinde görünür bir renk oluşmaz. d) a)’da gösterilen örneklerin yüzeylerinden ışık saçıldığında, bu sefer Al-tabanlı örnekler farklı renklerde görülürken, Si-tabanlı örnekler ışığı saçmadığından siyah görünüyor. Al-tabanlı örneklerdeki saçılma (dağınık yansıma) c)’de yeşil renkli yarım daire olarak tasvir edilmiştir ve bu b)’de yoktur (düz yansıma). Dahası, b) ve c)’deki renkler birbirinin tamamlayıcısıdırlar. Her iki etki e)’de şematik olarak f)’de ise kangurular üzerinden gösterilmiştir. Burada 160 nm Si3N4 ince film kaplı Al örnekler kullanılmıştır.

Etkiye detaylı bir şekilde bakacak olursak Şekil 2’yi dikkatlice incelememiz gerekir. Dr. Eser ve meslektaşları, malzeme araştırmalarında sıklıkla tercih edilen silisyum (Si) alttaşlardan bazılarının üzerine Al kapladılar (Al-tabanlı), diğerlerine ise kaplamadılar (Si-tabanlı). Daha sonra bu her iki tip örnekler üzerine farklı kalınlıklarda (0 nm’den 200 nm’ye kadar değişen) Si3N4 ince filmler kapladılar (bkz. Şekil 2a). Fark ettiler ki, Al-tabanlı olan örnekler tıpkı bir ayna gibi davranıyor. Ancak, üzerinde farklı kalınlıkta ince film olan Si-tabanlı örnekler farklı renklerde görülüyor. Bu etkiyi Şekil 2b’de tasvir ettiler, düzgün yansıma bir görünür renk ile sonuçlanıyor, eflatun. Bu optik girişimin bir sonucudur. Öte yandan, Al-tabanlı örnekler dağınık yansımaya neden oldukları için herhangi bir renk görünmüyor, ayna gibi davranıyorlar. Daha sonra, Şekil 2a’daki örneklerin yüzeyinden ışık saçıldığında ise bambaşka bir etki görülüyor. Bu sefer üzerinde ince film olan Al-tabanlı örnekler renkli görünürken, Si-tabanlı örnekler ışığı saçmadıkları için siyah renkte görünüyorlar (bkz. Şekil 2d). Bu iki etki değiştirilebilir dikromatik (çift renkli) görüntüler elde etmek için kullanılabilir ve yeni tip güvenlik araçları gibi pratik sonuçlar ortaya çıkarabilir. 

Bu olgunun nasıl kolaylıkla gözlemlenebileceğini anlatan Dr. Eser, “Karanlık bir odada örneği aydınlatmak için el feneri kullanırsanız, yansıyan ışık huzmesi sizden uzağa odanın diğer tarafına geçer”. 

Yansıtılan ışık asla gözlerinize ulaşmaz, sadece dağınık ışık gözlerinize ulaşabilir. Oysa oda ışığı yandığında, ışık her yerden örneğe gelir ve bu nedenle her zaman gözlerinizden yansıyan ışığı görürsünüz.”

Bu etki, rengi görmemize neden olan, daha önce bilinmeyen bir şeydir. Temelde farklı bir şeydir.

Dr. Eser’in anlatımından dinlemek için; https://excitonscience.com/news/now-you-see-it-now-you-dont-hidden-colours-discovered-coincidence?fbclid=IwAR0Aq4H-bBY0R-Vqnr3tIvHc2rsy_mmeH1idEBFQ62cEd3Og3krINvE8I8k linke gidebilirsiniz. 

Daha fazla bilgi için makaleye göz atabilirsiniz:  Eser Metin Akinoglu et al. Concealed Structural Colors Uncovered by Light Scattering, Advanced Optical Materials (2020). DOI: 10.1002/adom.202001307 

05.11.2020

Çeviren / Derleyen

 Mehmet ÖZDOĞAN, Dr. Fizikçi

Bornova Belediyesi – Mevlana Toplum ve Bilim Merkezi