Komut Üzerine Aktif Kamuflaj Görevi Gören Bir Polimer Ağı Tasarlandı

Fotoğraf-1: Araştırmacıların yapay kromatoforları, dairesel oyuklar üzerine gerilmiş pnömatik pompalara bağlı membranlardan oluşuyor. Oyuğa basınç uygulamak membranı gererek içindeki sarmal biçimli sıvı kristalin perdesini değiştiriyor. Araştırmacılar, çap, basınç, perde ve renk arasındaki ilişkiyi bağdaştırarak son çalışmalarından bu gösterimde, rengini kendini çevreleyen desene uyacak şekilde değiştirerek her bir oyuğa piksel gibi davranabiliyorlar.

Hayvanlar alemi aktif kamuflajlı canlılarla doludur. Sıkıcı bir kum ve taş yığını gibi görünen şey aslında canlı mavi ve sarı yerine kahverengi ve gri tonlarını ortaya çıkarmak için derilerinde genişleyen ve büzülen yapılar olan parlak renkli bir mürekkep balığı olabilir. Kromatoforlar olarak bilinen bu hücreler, hayvanın çevresinde bulunan renk ve desenlere benzeyerek bir anda kaybolmasını sağlayacak şekilde, dış uyaranlara tepki olarak iç yansıtıcı plakaları genişletebilir ve çekebilir.

Günümüzde, Pennsylvania Üniversitesi’nin Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan araştırmacılar, bu tür aktif kamuflajdan ilham alıyorlar. Araştırmacılar, sarmal şekillerde düzenlenmiş bir polimer sıvı kristal ağından yapılmış ince ve esnek membranlar kullanarak, komut üzerine renkleri anında yakın kızılötesinden görünüre, görünürden ultraviyoleye kadar değiştirebilen bir çeşit yapay kromatofor geliştirdiler.

Bu membranlar, ızgara şeklinde düzenlenmiş, her biri belirli bir basınca pnömatik olarak şişirilebilen küçük oyukların üzerine yerleştirilmiştir. Bir oyuk şiştiğinde, membran gerilir, kalınlığı büzülür ve görünen rengi değişir.

Önemli olarak, bu membranların istenen bu etkiyi elde etmeleri için fazla gerilmelerine gerek yoktur. Nazik bir dokunuşa eşdeğer miktarda basınç kullanarak, renkleri görünür spektrumdaki herhangi bir renge dönüştürülebilir. Benzer mekanizmaları kullanan renk değiştiren malzemelerin tarihsel olarak kırmızıdan maviye geçmek için %75 oranında deforme olmaları gerekiyordu, bu da ekranlar veya pencereler gibi sabit boyutlu düzeneklerde kullanılmalarını imkansız hale getiriyordu.

Araştırmacıların ürettikleri yapay kromatoforlar, aynı etkiyi elde etmek için %20’den daha az deformasyona ihtiyaç duyduğundan, bir LCD monitörde bulunan pikseller gibi düzenlenebiliyorlar. Ayrıca, araştırmacıların oluşturduğu sistemdeki katmanlı sıvı kristaller kendi yansıtıcı renklerine sahip olduklarından, arkadan aydınlatmaya ihtiyaç duymuyorlar ve böylece doğası itibarıyla sahip oldukları canlı görünümlerini korumak için sürekli bir güç kaynağına ihtiyaç duymuyorlar.

Fotoğraf-2: Araştırmacıların prototipi, her yapay kromatoforun tıpkı bir piksel gibi hareket etmesiyle, kamuflaj efekti elde etmek için çevrenin renk ve dokusuyla eşleştirebiliyor.

Araştırmacıların ürettiği prototip ekranların her biri yalnızca birkaç düzine piksele sahipken, renk değiştirme yetilerinin arkasındaki prensibi gösteren bir çalışma, çeşitli kamuflaj tekniklerindeki potansiyellerinin yanı sıra mimari, robotik, sensörler ve diğer alanlardaki uygulamaları da ortaya koyuyor.

Nature Materials dergisinde yayımlanan çalışma, Joseph Bordogna Profesörü ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölüm Başkanı Shu Yang ve o zamanlar laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Se-Um Kim tarafından yürütüldü. Yang laboratuvarı üyeleri Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim ve Haihuan Wang da araştırmaya katkıda bulundu.

Yang, “Laboratuvarımız, yapısal renkle ve onun mekanik kuvvetleri kullanarak nasıl değiştirileceği konularıyla her zaman ilgilendi.” diyor. “Örnek olarak, daha önce renk değiştiren bir polimerin askerlerde ve atletlerde travmatik beyin hasarlarına işaret edebileceğini göstermiştik. Bazı hayvanların yapısal rengi nasıl evrimleştirdiğine baktığımızda, aynı bir ekranın pikselleri gibi çalışan esnek hücrelere sahip olduklarını ve potansiyel olarak benzer bir yaklaşım benimseyebileceğimizi fark ettik.”

Kelebek kanatlarına ve tavus kuşu tüylerine renkli pırıltıyı veren ve genellikle pigment veya boya bazlı renklerden daha parlak olan yapısal renk, ışık bir yüzeyin mikroskobik özellikleri ile etkileşime girdiğinde üretilir. Araştırmacıların ürettikleri ekranlar söz konusu olduğunda, bu özellikler “ana zincirli kiral nematik sıvı kristal elastomerler” veya MCLCE’ler olarak bilinen bir malzeme sınıfında bulunurlar. Sıvı kristaller tabiatı gereği anizotropik malzemelerdir, yani özellikleri yön yönelimlerine göre değişir. Sarmalın perdesi kolayca değiştirilebildiğinden, MCLCE’lerin sarmal şekli büyük ve elastik anizotropiye olanak sağlar.

Ekrandaki oyuk şişirildiğinde, bu oyuğun MCLCE membranı gerilir. Bu durum, bir yayı sıkıştırmaya çok benzeyen bir şekilde, membran içindeki sıvı kristal sarmalın perdesini indirger ve görüntüleyiciye yansıyan ışığın dalga boyunu değiştirir.

Fotoğraf-3: Aynı hava pompasına birden fazla piksel bağlanabilir, bu da daha karmaşık ekranların oluşumuna olanak sağlar.

Araştırmacılar, her bir yapay kromatoforu istenen renge getirebilmek için gereken doğru basıncı belirleyerek, onları bir ekrandaki pikseller gibi programlamayı başardılar. Bu seviyede kontrol, her piksel için ayrı pnömatik pompalar olmadan da mümkündür.

Kim, “Basit bir işlemle aynı anda kırmızı, yeşil ve mavi rengi üretmek istedim,” diyor, “bu yüzden farklı genişlikteki oyukları aynı hava kanalına bağladım. Bu, aynı basınca maruz kalmasına rağmen, deformasyon derecesinin ve rengin pikselden piksele değişerek genel cihazın karmaşıklığını azalttığı anlamına geliyor.”

Araştırmacıların ürettiği prototip, yalnızca iki hava kanalı kullanarak, kendisini çevreleyen bir yüzeyin renk ve dokusuna uyan yediye beş dama tahtası desenleri üretebiliyor. Yedi kanalla, LCD saatlerinde bulunan yedi bölümlü renkli ekranlarda bulunan tarzda rakamları işleyebiliyorlar.

Araştırmacılar, MCLCE’lerin benzersiz mekanokromik performansının, malzemenin nispeten basit mekanizmasına rağmen, oldukça hassas ve karmaşık olan yeni biyomimetik fotonik cihazların ve sensörlerin üretilmesine ilham vereceğine inanıyor. Ayrıca, 3D ekranların yanı sıra renk değiştirerek ortam sıcaklıklarına yanıt veren “akıllı” pencereleri de göstermeyi planlıyorlar.

Kaynak: phys.org