Bir Kelebeğin Parlak Mavi Kanatları Zehir Oranı Az Olan Bir Boyaya Götürdü
Fotoğraf: Mavi morfo kelebeğinin kanadı.
“Yapısal renk” olarak bilinen bir fenomen, ticari ürünlerin bir çeşidine dönüştürülebilir.
Morfo kelebeklerinin kanatlarının canlı mavi tonları yalnızca lepidopteristleri (Kelebek, güve gibi Lepidoptera sınıfındaki canlıları yakalayan, toplayan ve üzerlerinde araştırmalar yapan entomologlar) değil, kimyagerleri de uzun zaman büyüledi. Kimyagerlerin ilgisi, kanatların içinde katmanlar şeklinde bulunan karmaşık nano ölçekli protein yapılarından ileri gelir: Şekilleri, baş döndürücü gök mavisi rengi yansıtan prizmalar gibi davranır. Malzeme bilimciler -insan sağlığı ve çevre açısından zararlı olabilen boyar maddeler ve pigmentler içermeyen- boya ve kozmetik gibi ürünleri yapmak için, eninde sonunda bu yapıların özelliklerinden yararlanmayı umuyorlar.
Bu “yapısal renk” konseptinin, geniş bir ürün yelpazesine nasıl ekonomik bir şekilde uygulanacağını tasarlamak zorlayıcıydı. Ancak şimdi Berkeley/ Kaliforniya merkezli Cypris Materials denilen bir genç yenilikçi şirketteki kimyacılar, bunu yapmanın bir yolunu bulmaya çok yakın olduklarını söyledi. Boyalar ya da pigmentler kullanmadan, elektromanyetik spektrumun ultraviyole (UV), görünür ve yakın-IR bölgelerine ait tonlar üretebilen ve otomotiv boyalarından yazıcı mürekkepleri ve oje renklerine kadar olan uygulamalarda kullanılabilen renklendiriciler geliştirdiklerini söylüyorlar. Cypris Materials’ın çalışmasında yer almayan, yeşil kimyanın öncüsü ve Zymergen şirketinde seçkin bir araştırma görevlisi John Warner, “Umutsuzca yenilik bekleyen bir alanda ilerleme kaydettiler ve laboratuvardan gerçek dünyaya sıçramış gibi görünüyorlar. Bu oldukça çarpıcı.” diyor.
Geleneksel pigmentler ve boyar maddeler, kumaşlara ve boyalara renk katmak ve diğer günlük uygulamalar için yüzyıllardır kullanılmaktadır. Pigmentler ışığı emme ve yansıtma yoluyla çeşitli tonlar verirler. Örneğin bir gömleğin içindeki kırmızı boya, kırmızı haricindeki tüm renklerdeki ışığın dalga boylarını emen kromofor adında moleküler bileşenler içerir işte bu yüzden gördüğümüz renk kırmızıdır. Ancak azo-boyar maddeler (aril aminler) gibi kimyasal içeriklerden bazıları kanser ve daha başka zararlı etkilerle bağlantılıydı. Birçok ülke bu maddeleri yasakladı.
Yapısal renk, ışığı farklı yollarla yansıtan ya da kıran, çeşitli şekillere sahip mikroskobik yapılardan ileri gelir. Örneğin bir morfo kelebeğinin kanatlarındaki minicik pullar, bir köknar ağacının yandan görünüşü gibi, çapraz kaburga şekline sahip minik çıkıntılarla kaplıdır. Bu oluşumlar, parlak bir mavi oluşturmak için ışığı belirli dalga boylarında kırar. Diğer yapılar da benzer etkiler yaratır: Örneğin, sarmal yapıdaki selüloz mikro fiberler mavinin parlak, metalik bir tonuyla mermer meyvelerini parlatırlar. Bilim insanları, yapısal rengin doğada kendisini gösterdiği davranışların ince ayrıntılarını hâlâ araştırıyorlar. Ancak bir yapıdaki boyut ve hacim özelliklerinin ve malzemenin kendisinin; esasen ışığın ilgili yapıdan nasıl yansıyacağına ve hangi renkle sonuçlanacağına karar veren şey olduğunu zaten biliyorlar.
Fotoğraf:Cypris Materials’ın görünür bölge spektrumunu kapsayan rengarenk yapısal renklerin bir örneği. (Ryan Pearson)
Cypris Metarials kendi kendine birleşen blok kopolimerler olarak bilinen yapıları kullanarak yapı-temelli bazı renklendiriciler oluşturur. Bunlar, poliakrilatlar veya poliesterler gibi yaygın kullanılan iki farklı tipteki plastiği bir araya getiren uzun molekül zincirleridir. Bu kopolimerler bir boya ya da mürekkep halinde formüle edildiklerinde ve bir yüzeye uygulandıklarında, kendilerini ışığı kıracak şekilde düzenlenmiş katmanlı yapılara dönüştürürler. Bu işleyişin nasıl olduğunu kavramak için, her rengin farklı bir plastiği temsil ettiği, yarı sarı yarı yeşil solucan şeklindeki yumuşak şekerleri hayal edin. Eğer bu solucanların büyük bir çoğunluğu, her şekerin sarı ve yeşil kısımları sadece diğer şekerlerin aynı renkli yarısına temas edecek şekilde düzenlenmiş olsaydı, çok katmanlı bir yapı oluşturacaklardı. Cypris’in kopolimerleri bir çözeltiye yerleştirildiğinde, yansıyan ışığın dalga boyunu belirleyen polimer zincirinin uzunluğuyla, bunu kendi başlarına yaparlar. Kısa kopolimer zincirleri ışığın daha kısa dalga boylarını kırar: ultaviyole (mor ötesi), maviler ve yeşiller. Daha uzun zincirler, spektrumun turuncu, kırmızı ve yakın-IR (kızılötesi) bölgelerindeki daha uzun dalga boylarını kırar.
Kendiliğinden birleşmeli kopolimerler yeni değil ancak şirket iki önemli ilerleme kaydettiğini söylüyor: Materyalleri, boya uygulandığında olduğu gibi, günlük çevre koşulları altında kendiliğinden birleşirler ve ışığın daha uzun dalga boylarını yansıtan daha uzun zincirler yaratabilirler. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde Nobel Ödülü sahibi bir kimya profesörü ve danışmanlık görevinde çalışan şirketin kurucu ortağı Robert Grubbs yapısal renk ile ilgili, “Onu daha kırmızı renklere çıkarabilmek… Bunu kimse yapamadı.” diyor ve ekliyor: Mümkün olacağını düşündüğümden çok daha ileri gittiler.”
https://youtu.be/7nkM3UI_QMA
Yeni renklendiriciler Cypris Materials’in, örneğin bir otomotiv püskürtme tabancasındaki boyaya eklenmesi ya da tırnak cilasının içine karıştırılması gibi, üretim süreçlerine dahil edilebileceğini söylediği toz formunda gelir. Renklendiriciler ayrıca bağlayıcılar ve boya yüzeyde kururken pigmentleri ve boyar maddeleri çözeltide tutmak için eklenen kimyasallar gibi davranır. Şirketin kurucu ortağı ve CEO’su Ryan Pearson, “Boyayı basitleştiriyoruz. İnsanların pigment ve ayrıca boyayı stabilize etmek için ekstra katkı maddeleri de eklemeleri gerekir. Biz yalnızca ihtiyaç duyulan pigment ve boyar maddeleri uzaklaştırmıyoruz, boyayı stabilize etmek için boya etrafındaki her türlü madde ihtiyacını da yok ediyoruz.” diyor.
Pigmentlerin stabilize edilmesine yardımcı olması için boyalara sıklıkla eklenen diğer kimyasallar yüzey aktif maddeler içerir. Yeni renklendiricilerin bu kimyasalları gereksiz kılıp kılmayacağı henüz kesinleşmiş değil ancak, Healthy Building Networkte, sürdürülebilirliği ve daha az toksik materyallerin kullanımını destekleyen ve Cypris Materials ile bağlantısı olmayan kar amacı gütmeyen bir organizasyon, baş araştırma görevlisi Teresa McGrath, “Yüzey aktif maddelerin yerine geçebiliyorlarsa ya da alkilfenolleri [boyalarda ayrılmayı önlemek için yaygın olarak kullanılan kimyasallar] kullanmaksızın formüle edebilirlerse bu, bizim görüşümüzce kesinlikle olumlu bir gelişme olacaktır.” diyor.
Yeni yöntem, yalıtımı iyileştirmek ve enerji tasarrufu için pencerelere uygulanabilen ince tabakalar oluşturmak için kullanılanlar gibi diğer yapısal renk uygulamalarıyla zıt düşmüştür. Bu teknik, infrared ışığı yansıtan bir yapı elde etmek için birçok ince tabakalı katmanın oluşturulmasını ve birleştirilmesini kapsar. Ancak bu ince tabakaların yalnızca belirli yüzeylere uygulanabilmesi yeni yapısal renk teknolojisini potansiyel olarak daha kullanışlı yapar.
Bu genç yenilikçi şirketin renklendiricilerinin hala aşması gereken engeller ve olası sınırlamalar var. Örneğin, titanyum oksit gibi bazı pigmentlerle fiyat açısından rekabet edemeyebilirler. Şirketin ayrıca hâlâ, kendi renklendiricilerinin gerçekten geleneksel boyar maddeler ve pigmentlerden daha çevre dostu ve daha güvenli olduğunu doğrulamak için kopolimerlerinin ve üretim süreçlerinin tam bir analizini yapması gerekiyor. Warner, “Kusursuz olmayacak ancak mükemmelin düşmanı mükemmeldir. Bilim bu şekilde ileri adımlarla çalışır.” diyor.
Kaynak : scientificamerican.com
