Malzemenin Ötesi Metamaterials

Doğal malzemelerde bulunanların ötesine geçen ve geleneksel malzeme keşif yöntemlerinin dışında veya klasik kimyasal üretim yöntemleri ile yaratılması mümkün olmayan özellikler ve yetenekler Metamalzemeler dediğimiz yeni bir malzeme teknolojisi kavramı ile karşımıza çıkıyor. Özellikle Son 20 yılda nanoyapı üretme teknikleri olgunlaştı ve bu da ışığı ve ısıyı çok küçük ölçeklerde kontrol edebilen çok çeşitli çığır açan çözümlerle sonuçlandı. Bu tekniklere katkıda bulunan gelişme alanlarından bazıları fotonik kristaller, nanolitografi, plazmonik fenomenler ve nanoparçacık manipülasyonudur. Bu ilerlemelerden, yeni bir malzeme bilimi dalı ortaya çıktı – metamalzemeler.  Metamalzemenin önemli özelliklerinden biri haricî bir güç kaynağına ihtiyaç duymaması, kendi enerjisini üretmesi…  Malzeme, içerisindeki nanojenaratörle ihtiyacı olan enerjiyi kendi üretiyor. Bu malzemenin makro ölçekteki bir benzerinden yüzlerce Watt güç elde edilebilmek mümkün.

Metamalzeme ile endüstriye yeni bir bakış

Bildiğimiz ve günlük hayatta kullandığımız malzeme özelliklerinin ötesine geçen  sıra dışı karakteristik özellikler gösteren metamalzemeler mühendislik ve tasarım dünyasına yeni kapılar açıyor. Araştırmacılar, hayatımızdaki ürünlerin yeni bir bakış ile tasarlamasına olanak sağlayacak, estetiği, verimliliği hatta sürdürülebilirliği yeniden tanımlayacak bu yeni teknolojilere ışık tutuyor.

Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, şaşırtıcı niteliklere sahip yeni bir kauçuk benzeri katı madde tasarladılar. Büyük miktarda enerji emebilir ve serbest bırakabilir hatta programlanabilir nitelikte olan yeni malzeme, robotların ek enerji sağlamaktan, enerjiyi çok daha hızlı dağıtabilen yeni kasklara,  koruyucu kıyafetlere kadar çok geniş bir uygulama yelpazesi için büyük umut vaat ediyor. Bu “elasto-manyetik” malzeme, enerji miktarını büyük ölçüde artırmak için faz kayması olarak bilinen fiziksel bir özellikten yararlanıyor. Araştırmacılar “Elastik malzemeye küçük mıknatıslar yerleştirerek, meta malzemenin faz geçişlerini kontrol edilebileceğini belirtiyor. Meta-malzemenin tam olarak yapmasını istediğimiz fonksiyonu gerçekleştirecek şekilde tasarlanabileceğini iddia ediyorlar: örneğin büyük bir darbeden gelen enerjiyi almak ve kullanmak veya patlayıcı bir hareket için büyük miktarlarda enerjiyi malzeme içerisinden salmak.” gibi…

Bu prensiple yaratılabilecek malzemeler sürdürülebilir ve son derece işlevsel malzemeler olabilir. Tasarlayarak, geliştirerek ve üreterek bir dizi uygulamada daha önce erişilemeyen  performanslara ulaşılabilir. Geleneksel kimyasal sentezden çok daha hızlı ve daha düşük maliyetle çözümler ve işlevsel prototipler kütüphanesi geliştirilmesi sağlanabilir. “Metamaterial” teknolojileri küresel markaların tüketici elektroniği ürünleri, sağlık ürünleri, havacılık donanımları, otomotiv ve temiz enerji alanlarında müşterilerine çığır açan ürünler sunmalarını tetikleyecek gibi görünüyor.

Akıllı Tasarım ile Işık ve Isı Manipülasyonu

Işığı, elektriği ve ısıyı kontrol etmek, insanlık tarihi boyunca teknolojik ilerlemelerde kilit rol oynamıştır. Elektrik ve elektromanyetik teknolojilerdeki, kablosuz iletişimdeki, lazerlerdeki ve bilgisayarlardaki ilerlemelerin tümü, ışık ve diğer enerji biçimlerinin doğal olarak nasıl davrandığına ve onları nasıl manipüle etmenin mümkün olduğuna dair anlayışımıza meydan okuyarak mümkün olmuştur.

Metamalzemeleri belirli bir ışık rengini şeffaf bir şekilde engellemek veya bir arabanın camını görünmez bir şekilde ısıtmak gibi özel bir işlevi yerine getiren şekillerde desenlenmiş, karmaşık yapılar olarak tasarlamak mümkün. Bu işlevler genel olarak ışığı, ısıyı ve elektromanyetik dalgaları alışılmadık şekillerde manipüle etmek anlamına gelebilir. Şeffaflığını değiştirebildiğimiz yüzeyler bina cephelerinde gün ışığını yönetmemizi sağlayabiliyor veya bir mobilya üzerinde istediğimiz bölgelerde elektromanyetik geçirgenlik sağlanarak elektronik donanımlara kablolara ihtiyaç duymadan enerji sağlanabiliyor. Araç koltuklarını ısıtmak için ek bir donanıma ihtiyaç duymadan malzemenin kendi iç enerjisi kullanılarak ısıtma sağlanabiliyor.

Metamalzeme nasıl üretilir?

Metamalzemeler nano ölçekte geometrik yapı dizilerinden oluşturulur. Genellikle yapı taşları nano, mikro veya makro ölçektedir. Bu yapılar tekrar eden kalıplarla bağlantılıdır; bu, bilim adamlarının çeşitli türlerde farklı metamalzemeler tasarlamasına izin veren önemli bir faktördür. Basitçe, yinelenen her yapıyı bir parçacık grubu olarak temsil etmeleri gerekir. Metamalzemeler, temelde fonksiyonel materyallerin bir alt kümesidir. Metal ve plastikler gibi biçimleri manüple edilebilen ve bu sayede bir çok endüstri için kullanım alanı bulan geleneksel malzemelerin, bilim adamları tarafından yeni veya geliştirilmiş özellikler sergilemek üzere yeniden tasarlanmış kompozit yapılarıdır.

Tipik olarak, meta-atomlar olarak adlandırılan çok sayıda yapılandırılmış bireysel elemandan oluşurlar. Bu meta-atomlar, bir bilgisayar çipindeki elektronik devre ölçeği gibidir. Doğa malzemeleri oluşturmak için atomları kullanırken, metamalzemeleri oluşturmak için yapı taşları olarak metalik, yarı iletken ve yalıtkan nano yapılar kullanılır. Gelişmiş teknikler ile inşa edilen ve neredeyse sonsuz sayıda olası nanoyapı göz önüne alındığında olağanüstü bir tasarım esnekliğine sahip malzemeler yaratılabilir.

Eşsiz özellikler elde etmek için metamalzemeler, etkiledikleri enerjinin dalga boylarından daha küçük ölçeklerde tekrar eden desenler şeklinde tasarlanır. Özellikleri, temel malzemelerinin mekanik özelliklerinden değil, benzersiz mühendislik yapılarından gelir. Metamalzemeler üzerindeki yüzey yapılarının şekli, geometrisi, boyutu, yönü ve düzeni, onlara benzersiz özelliklerini veren kurgulardır. Özenle tasarlanmış bu fiziksel özellikler, metamalzemelerin örneğin elektromanyetik dalgaları bloke ederek, emerek, güçlendirerek veya bükerek manipüle etmesini sağlayabilir.

Metamalzemelere yönelik araştırmaların yoğunluğu, belirli dalga boyları için kırılma indeksi negatif olan malzemelere odaklanmıştır. Bunlara negatif indeksli metamalzemeler denir. Metamalzemeler için potansiyel uygulamalar çeşitlidir ve umut vericidir. Optik filtreleme, tıbbi cihazlar, uzaktan havacılık operasyonları, sensör dedektörleri, güneş enerjisi yönetimi, kalabalık kontrolü, radomlar, anten lensleri ve hatta deprem koruması için sensörler olarak örneklenebilir.

Metamalzemelerden yapılmış lensler, geleneksel optik lenslerin daha fazla büyütmesini önleyen kırınım sınırının altında görüntülemeyi bile sağlayabilir. Gradyan indeksli metamalzemeler, bu optik uygulamalara dayalı olarak bir tür “görünmezlik” bile sağlayabilir.

Elektromanyetik Metamalzemeler;

Elektromanyetik radyasyonun dalga boyundan daha küçük olan yüzey özellikleriyle etkileşime giren elektromanyetik dalgaları etkiler. Elektromanyetik radyasyonun en geniş dalga boyu mikrodalgalardır ve bunlarla çalışmak üzere tasarlanmış metamalzemeler milimetre mesafeye kadar özelliklere sahiptir. Mikrodalgaları manipüle etmek için uygun endüktif ve kapasitif özelliklere sahip elektriksel olarak iletken eleman dizileri (örneğin tel halkaları) yapılabilir.

Elastik Metamalzemeler;

Elektromanyetik olmayan malzemelerde farklı parametreler kullanarak negatif bir kırılma indeksi oluşturur. Elastik metamalzemeler, sınırlı frekans aralıklarında sıvı veya katı olarak davranabilir ve ses ve sismik enerji yönetiminde yeni uygulamalara olanak sağlayabilir.

Akustik Metamalzemeler;

Elektromanyetik dalgalar gibi, sonik dalgalar da negatif kırılma gösterebilir. Bu nedenle, sesin gaz, sıvı veya katı malzemelerden geçişini kontrol etmeknve yönlendirmek için akustik metamalzemeler geliştirilmiştir. Elektromanyetik metamalzemelerdeki geçirgenlik ve geçirgenliğe benzer şekilde, yığın modülü ve kütle yoğunluğu, ses dalgalarını kontrol etmek için manipüle edilebilir. Bu, metamalzemelerin doğru ses frekansları tarafından uyarılan bir rezonans sistemi oluşturmasını sağlar.

Ekim 2006’da, İngiliz ve ABD’li bilim adamlarından oluşan bir ekip, o zamanlar yalnızca bilim kurgu tarafından bilinen, çığır açan bir fiziksel fenomen sergilediler; dünyanın ilk çalışan “görünmezlik pelerini”. Profesör Sir John Pendry liderliğindeki ekip, yaklaşık 12 cm çapında küçük bir cihaz yarattı ve bu, kendi etrafında mikrodalga radyasyonunu yeniden yönlendirme özelliğine sahip ve onu mikrodalgalar tarafından neredeyse görünmez hale getirdi. Bu gösteriyi özellikle dikkat çekici kılan şey, mikrodalga görünmezliğinin bu özelliğinin nesnenin kimyasal bileşiminden değil, onu oluşturan malzemelerin yapısından türetilmiş olmasıdır. Ekip, bir meta-malzemenin gizleme özelliklerini göstermiş oldu.

https://www.youtube.com/watch?v=sweVNjEQj0s

Yüzyıllar boyunca bilgi ve enerji akışını manipüle etme, depolama ve kontrol etme araçları olarak ışık ve sesin tadını çıkardık. Bununla birlikte, bu dalga kanallarından bilgi ve enerji iletme ihtiyacımız, kırınım tarafından dikte edilen fiziksel bir sınıra maruz kaldı. Örneğin, Young’ın çift yarık deneyleri, iki yarıktan uzaktaki bir gözlemci için, bu yarıkların aralığı ışığın dalga boyuna yakın olduğunda, bu yarıkların birinden ayırt edilemeyeceğini ileri sürer. Kağıt origami’ye benzer şekilde dalgaları bükerek ve katlayarak kırınım sınırını aşabilir miyiz?

bir çok araştırmacı tarafında 3B karmaşık mikroyapılar üretme çalışmaları gerçekleştiriyor. Ses dalgaları alanında, bu yapılar, geniş bant ve oldukça şeffaf metamalzemeler aracılığıyla ultrasonu odaklama ve yeniden yönlendirme konusunda umut vaat eden çalışmalar. Ayrıca araştırmacılar akustik metamalzemeler üzerindeki elastik dalgaların dalga cephesini ve enerji akışı üzerine araştırmalar yürütüyor. Optik alanda, elektron-foton etkileşimini birkaç atom kalınlığındaki katmanlara kadar destekleyen nanoyapılardaki farklı yerel modları ölçmek için optik görüntüleme probları geliştirilmekte, bu da verimli ışık emisyonu ve algılaması vaat ediyor. Bu yeni metamalzemeler, geniş bantlı foto-soğurucuların, yönlü yayıcıların ve ayrıca kompakt ve güç açısından verimli cihazların temeli olabilir. Benzer çalışmaların ticarileşmiş sonuçlarından PLDC film teknolojisini, otomotivden mimariye çeşitli kullanım alanlarında görmek mümkün.

https://youtu.be/sALAMBSWsdk