Doğada kafadanbacaklıların (kafaya bağlı dokunaçları olan hayvanlar) derisi benzersiz bir kamuflaj yeteneği sergiler. Derileri, çevresel ışık koşullarındaki değişiklikleri algılayabilen ve pigment hücrelerinin etkisiyle görünümlerini ayarlayabilen pigment grupları içerir. Doğada karmaşık olsa da, bu renk değiştirme yeteneği temelde pigment parçacıklarının radyal kasların kontrolü altında katlandığı veya açıldığı mekanik bir mekanizmaya dayanır.
Bu doğal süreçten ilham alan Hong Kong Üniversitesi (HKÜ) Kimya Bölümü’nden Dr. Jinyao TANG liderliğindeki bir araştırma ekibi, Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Xiamen Üniversitesi’nden bilim insanlarıyla iş birliği içinde ışık kontrollü çok boyutlu faz ayrımı sağlamak için yeni bir dalga boyu seçici akıllı kolloid sistemi geliştirdi. Ekip, camgöbeği, macenta ve sarı mikro boncukları karıştırarak dinamik fotokromik nanokümeler oluşturuyor ve makro ölçekte fotokromizm elde ediyor. Bu makroskopik fotokromizm, aktif mikro boncuk karışımında ışık kaynaklı dikey faz tabakalaşmasına dayanıyor ve gelen spektruma karşılık gelen renkli mikro boncukların zenginleşmesine neden oluyor.
Mevcut renk değiştiren malzemelerin aksine, bu yeni fotokromik kolloidal sürü, yerinde yeni kromoforlar üretmek yerine mevcut pigmentleri yeniden düzenlemeye dayanır ve bu nedenle daha güvenilir ve programlanabilirdir. Araştırmacıların bulguları elektronik mürekkep, ekranlar ve aktif optik kamuflaj gibi uygulamalar için basit bir yöntem sunarak aktif madde alanında büyük bir atılımı temsil ediyor. Araştırma sonucu kısa süre önce Nature adlı akademik dergide yayımlandı.
Kendiliğinden harekete geçen aktif parçacıklar, mikroorganizmaların sıvı içindeki yönlü yüzüşünü taklit eden mikro/nanopartiküllerdir. Son zamanlarda nanobilim ve denge dışı fizik alanlarında büyük ilgi görmüşlerdir ve potansiyel biyomedikal uygulamalar için geliştirilmektedirler. Aktif parçacıkların ana araştırma hedeflerinden biri, ilaç dağıtımı ve non-invaziv cerrahi için bu parçacıklara dayalı tıbbi mikro/nanorobotlar geliştirmektir. Bununla birlikte, aktif partiküllerin yapısı basittir ve tahrik mekanizmaları ve çevre algıları önemli ölçüde sınırlıdır. Özellikle, bireysel mikro/nano aktif parçacıkların boyutu ve nispeten basit yapısı, vücutlarında işlevlerin uygulanmasının karmaşıklığını kısıtlamaktadır. Gelecekteki uygulamaları gerçekleştirmenin zorluğu ve anahtarı, basit yapılarına rağmen akıllı özelliklere sahip aktif parçacıkların nasıl yapılacağıdır.
Kendi kendini harekete geçiren aktif parçacıkların bir türü olan ışıkla çalışan mikro yüzücüler, yüzücü aktivitesi, hizalama yönü ve parçacıklar arası etkileşim gelen ışıkla kolayca modüle edilebildiğinden biyomedikal uygulama ve işlevsel yeni malzemeler için potansiyel sunan kontrol edilebilir nanorobot oluşturmak amacıyla yakın zamanda geliştirilmiştir. Öte yandan, ışık sadece mikro yüzücülerde ışığa duyarlı harekete neden olmakla kalmaz, aynı zamanda parçacıklar arasındaki etkili etkileşimi de değiştirir. Örneğin, fotokatalitik reaksiyonlar yerel kimyasal gradyan alanını değiştirebilir, bu da difüzyon yüzme etkisi yoluyla komşu parçacıkların hareket yörüngesini etkileyerek uzun menzilli çekim veya itme ile sonuçlanır.
Bu çalışmada Tang’ın ekibi, ışıkla çalışan mikro yüzücüler üzerine yaptıkları önceki araştırmalara dayanarak basit bir dalga boyu seçici TiO2 aktif mikro boncuk sistemi tasarladı. Fotoeksitasyon üzerine, TiO2 partikülleri üzerindeki redoks reaksiyonu, etkili partikül-partikül etkileşimini ayarlayan bir kimyasal gradyan oluşturur. Yani, parçacık-parçacık etkileşimi, farklı dalga boylarında ve yoğunluklarda gelen ışığın birleştirilmesiyle kontrol edilebilir. Farklı spektral özelliklere sahip boya hassaslaştırma kodları seçilerek farklı ışığa duyarlı aktivitelere sahip TiO2 mikro boncuklar oluşturulabilir. İsteğe bağlı partikül ayrımı, farklı absorpsiyon spektrumlarına sahip boyalarla yüklü birkaç aynı TiO2 mikro boncuk türünün karıştırılması ve gelen ışık spektrumlarının ayarlanmasıyla gerçekleştirilir.
Partikül faz ayrımını gerçekleştirmenin amacı, partikül agregasyonunu ve sıvı içindeki dağılımını hem mikro hem de makro seviyelerde kontrol etmektir. Etkili bir şekilde bu, elektronik kağıda uygulanabilecek farklı foto-hassasiyete sahip mikro boncukların karıştırılmasıyla yeni bir fotoresponsif mürekkeple sonuçlanmıştır. Bu prensip, kafadanbacaklıların derisinde bulunan ve çevrenin ışık durumunu algılayabilen ve buna karşılık gelen eylemleriyle çevredeki pigment hücrelerinin görünümünü değiştirebilen pigment kümelerine benzemektedir.
‘Araştırma bulguları, yapay aktif malzemelerdeki sürü zekası bilgimizin ilerlemesine önemli ölçüde katkıda bulunmuş ve yenilikçi aktif akıllı malzemeler tasarlamanın yolunu açmıştır. Bu buluşla birlikte, e-mürekkep, ekran mürekkebi ve hatta aktif optik kamuflaj mürekkebi gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilecek programlanabilir fotokromik mürekkebin geliştirilmesini bekliyoruz,’ diye sözlerini tamamladı Dr. Jinyao Tang.
Kaynak: Science Daily
