Doğadan Öğrenmek – Yaprakböcekleri Yardımıyla Işığı Manipüle Etmek

Bir Pennsylvania State University araştırmacıları tarafından yürütülen yeni bir çalışma bahçelerimizde yaygın olarak bulunan yaprakböceklerinin salgıladığı küçük parçacıkların, bir sonraki nesil teknolojiyi inşa etmemize yardımcı olabileceğini buldu.

ABD Ulusal Bilimler Akademisi İşlemeleri (PNAS) dergisinde yakın zamanda yayınlanan bu çalışmada, araştırmacılar ilk kez gizemli parçacıkların, brokosomlar olarak adlandırılanların, karmaşık geometrisinin ve ışığı nasıl absorbe ettiklerinin tam bir kopyasını başarıyla oluşturdu.

Aslında, birçok doğal işlevsel malzeme, biyolojik yüzeylerin ayrılmaz bir parçası olan hiyerarşik mikro ve nano yapıdan oluşur. Özellikle yaprakböcekleri, brokosomları salgılar ve bunları vücut yüzeylerinde kullanılabilir malzemeler olarak kullanır.

Brokosomlar, yaprakböcekleri tarafından üretilen, delikli, buckyball şeklinde karmaşık yapılı küresel parçacıklardır. Boş ve nanometre ölçeğinde, yani bir metrenin milyarda biri kadar küçüktürler. Bu hidrofobik parçacıklar yaprakböcekleri tarafından salgılanır ve vücut yüzeylerinde bulunur.

İlk kez 1950’lerde keşfedilmiş olmasına rağmen, brokosomal geometrinin işlevsel önemini hâlâ tam olarak anlamış değiliz; bu çalışma bunu değiştirmeyi amaçlıyor.

Penn State’ta biyomedikal mühendisliği ve makine mühendisliği profesörü Tak-Sing Wong, çalışmayı yönetti. Brokosomların deliklerinin ışık yansımasını azaltmaya yardımcı olabileceğini buldu. Bu, kısa dalga boylu, düşük geçişli antirefleksiyon işlevselliğini gösteren ilk biyolojik örnek olup, daha kısa dalga boylarında yansımayı azaltırken daha uzun dalga boylarının geçmesine izin veren bir optik kaplamayı ifade eder.

Çalışmaya göre, brokosomların benzersiz geometrisi, biyolojik yapıdan ilham alan optik malzemelerin (canlı organizmalarda bulunan doğal yapılarla ilham alınarak hassas ayarlanmış ve duyarlı malzemeler) geliştirilmesine olanak sağlayabilir.

Bu gelişme, güneş panelleri, akıllı telefonlar ve tablet bilgisayarlarda kullanılan son derece etkili kaplamaları ilham kaynağı yapan anti-reflektif güve gözü etkisinden farklıdır. Güve gözleri, yüzeyin periyodik nanoskalalı yapısı sayesinde yansımayı engeller; gelen ışık rastgele yönlere dağılır. Sonuç olarak ışık yansımak yerine göze iletilir.

Dolayısıyla, yaprakböceklerinin brokosomları, kaplamalar, görünmez kamuflaj cihazları ve daha verimli güneş enerjisi toplama gibi alanlarda uygulanabilecek biyolojik ilhamlı optik manipülasyon için ayrı bir yaklaşım sunar.

Brokosomların Karmaşık Yapılarını Kopyalamak

Brokosomların benzersiz geometrisi, çeşitli yaprakböcek türlerinde tutarlı varlığı ve boyutları ile deliklerinin genellikle yüzlerce nanometre aralığında olması konusundaki sınırlı anlayış göz önüne alındığında, Penn State’taki araştırmacılar bu çalışmayı yürüttü bu gizemleri ortaya çıkarmak ve bu türler için önemini açıklamak amacıyla.

Ekip bu üzerinde birkaç yıldır çalışıyor. 2017’de, brokosomların sentetik versiyonunun fonksiyonlarını daha iyi anlamak amacıyla geliştirildiği ilk kez oldu.

Laboratuvarda bu brokosomları üretmek, bilim insanlarının uzun süredir onları bildiklerine rağmen zor bir görev oldu. Bu, parçacıkların geometrik karmaşıklığından kaynaklanıyordu. Ayrıca bu bahçe böceklerinin neden bu kadar karmaşık yapıda parçacıklar salgıladığı da bilinmiyordu.

Yıllar önce, brokosomların çukurları ve dağılımı gibi özellikleri sentetik malzemelerle başarılı bir şekilde taklit edilmişti, ancak araştırmacılar tam bir kopya oluşturamıyordu. Şimdi ekip, doğal brokosomun tam geometrisini 20.000 nanometre boyutunda ölçekli bir formda yeniden oluşturabildi.

Şimdi, bu karmaşık yapıları laboratuvarda oluşturmak için araştırma ekibi yüksek teknoloji üç boyutlu baskı yöntemini kullandı. Brokosomların yüksek doğruluklu sentetik versiyonlarını üretmek için iki-foton polimerizasyon (2PP) 3D baskı kullandılar.

Çalışma, en üst düzey 3D yazıcıların 200 nm ile 500 nm çözünürlükte nesneler oluşturabildiğini, ancak doğal brokosomların ~300 nm ile 600 nm aralığındaki nanoskalalı geometrilerini yeniden üretmede yetersiz kaldığını belirtti. Bu yüzden bir ölçekleme modeli tekniği kullandılar ve ardından mikroskobik sentetik brokosomları bir model sistem olarak ürettiler.

Sentetik brokosomlar ve delikleri, çapları yaklaşık 20 µm ve 5 µm olacak şekilde tasarlandı, böylece basılan yapılar 3D yazıcının çözünürlüğünden çok daha büyük oldu. Ortaya çıkan yapı 12 beşgen delik ve 20 altıgen delik içeriyordu ve bunlar boş bir çekirdek aracılığıyla bağlanıyordu. Kabuk kalınlığı toplam çapın %7’si iken, delik duvar kalınlığı %20 idi ve doğal brokosomları taklit ediyordu.

Üretilen örnek, HCP kafesinde 20×20 sentetik brokosomdan oluşan bir dizi içeriyordu ve bu da yaklaşık %91 paketleme yoğunluğunu sağladı. Deliksiz bir kontrol örneği de üretildi.

Ekip daha sonra brokosomların optik form-fonksiyon ilişkisini inceledi; bu, brokosomların hiyerarşik geometrilerinin dar bir boyut aralığında delikli mimariyle ışık yansımasını önemli ölçüde azaltmak için tasarlandığını gösterdi.

Brokosomların farklı dalga boylarındaki kızılötesi ışıkla nasıl etkileştiğini araştırmak için araştırmacılar, ışığın yapılar tarafından nasıl manipüle edildiğini anlamalarına yardımcı olan bir Mikro-Fourier dönüşüm kızılötesi (FTIR) spektrometresi kullandılar.

Laboratuvar yapımı parçacıkların ışık yansımasını %94’e kadar azaltabildiği bulundu; bu, doğada bir türün boş parçacıklar kullanarak ışığı bu kadar özel bir şekilde kontrol ettiğinin ilk kez görülmesidir.

Bu keşif, ortak yazar Wong’un belirttiği gibi, yaprakböceklerinin kendilerini koruyucu bir zırhla kaplayarak avcılardan saklanma ihtimalini de güçlü bir şekilde gösteriyor; önceki teoriler, bunun kir ve suyu uzak tutma yöntemi olduğunu öne sürüyordu.

Ayrıca ekip, brokosomun boş, buckyball şeklindeki görünümünün ve delik boyutunun, ultraviyole (UV) ışığını absorbe etme ve görünür ışığı dağıtma çift işlevine hizmet ettiğini keşfetti.

İlginç bir şekilde, boyutun yaprakböcek türleri arasında, böceklerin vücut boyutundan bağımsız olarak tutarlı olduğu bulundu. Brokosomlar yaklaşık 600 nanometre çapında, gözenekler ise yaklaşık 200 nanometre.

Bu tutarlılık, kuşlar ve sürüngenler gibi UV görme yeteneğine sahip avcıların görebileceği UV ışığını absorbe ederek görünürlüğü azaltır. Ayrıca görünür ışığın dağıtılması, potansiyel tehditlere karşı anti-reflektif bir kalkan oluşturur.

3D baskının potansiyel 500 milyar dolar pazarının neden böyle olduğunu okumak için buraya tıklayın.

Muhteşem Potansiyel Uygulamalar

Dolayısıyla, Deniz Araştırma Ofisi’nin desteğiyle, çalışma yapıların karmaşıklığına yanıt buldu ve bunların geniş bant ışık saçılımını artırmak için tasarlandığını gösterdi. Üstelik delikler, kısa dalga boylu, düşük geçişli filtreler gibi çalışarak ışık yansımasını daha da azalttı.

Bu etkiler, brokosomların geniş bant dalga boyu aralığında speküler yansımayı %80 ila %94’e kadar azaltmasını sağlar. Çalışmanın lider yazarı, makine mühendisliğinde doktora sonrası araştırmacı Lin Wang, bu bulguların \”teknolojik yenilik için çok faydalı olabileceğini\” belirtiyor.

Bir yüzeyde ışık yansımasını düzenlemenin yeni bir yolu, bilim insanlarının hem makinelerin hem de insanların termal imzalarını gizlemelerini sağlayabilir. Wang, bir gün yaprakböceklerinin hilelerini kullanarak kendimiz için termal bir görünmezlik pelerini yaratabileceğimizi öne sürüyor; bu, askeri ve gözetleme uygulamaları için umut vaat ediyor.

“Çalışmamız, doğayı anlamanın modern teknolojiler geliştirmemize nasıl yardımcı olabileceğini gösteriyor.” 

– Wang

Bulguların bazı potansiyel uygulamaları arasında, güneş hasarına karşı koruyan gelişmiş güneş kremleri, cilt kanseri riskini azaltma, ayrıca ışığa duyarlı ilaçların zarar görmesini önleyerek farmasötiklerin etkinliğini ve dayanıklılığını artıran kaplamalar yer alıyor. Araştırmacılar ayrıca bu bilginin daha verimli güneş enerjisi toplama sistemlerinin geliştirilmesine yol açabileceğini belirtti.

Ekip doğal brokosomların tam kopyalarını başarıyla oluşturmuş olsa da çalışmaları henüz bitmedi. Bir sonraki adımda, araştırmacılar sentetik brokosomların üretimini, doğal muadillerinin boyutlarına daha yakın olacak şekilde iyileştirmeye odaklanacak.

Ekip ayrıca sentetik brokosomların bilgi şifreleme gibi ek uygulamalarını da araştıracak. Brokosomların karmaşık yapıları, verilerin yalnızca belirli ışık dalga boylarında görünür olduğu bir şifreleme sistemine entegre edilebilir ve böylece güvenli iletişim sağlanabilir.

Wang’a göre, çalışma doğadan ilham almanın değerini gösteriyor; “doğa, bilim insanlarının yeni ileri malzemeler geliştirmeleri için iyi bir öğretmen olmuştur.”

Yaprakböcekleri, birçok böcek türünden sadece biri ve bu sadece bir başlangıç; “daha fazla harika böcek var ve malzeme bilimcilerin incelemesini bekliyor,” diye belirten Wang, bu tür araştırmaların “çeşitli mühendislik problemlerini çözmemize yardımcı olacağını” öngörüyor.

Araştırmacılar, çalışmalarını kapsayan bir ABD geçici patenti dosyaladılar; bu çalışma ayrıca Carnegie Mellon Üniversitesi’nden makine mühendisliği doktora adayı Zhuo Li ve Carnegie Mellon Üniversitesi’nden makine mühendisliği profesörü Sheng Shen’in katkılarını da içeriyor.

Başarılı Doğa Tersine Mühendisliğinden İlham Alan Ürünler 

Çalışma, doğadan öğrenmenin büyük etkilerini gösteriyor. Ancak bu yeni bir fenomen değil; insanlar tarih boyunca doğadan ilham almıştır.

Tarihsel olarak, antik Yunanlılar binalarını altın oranına göre oranlamışlardır. 19. yüzyılda, Colorado’daki İspanyol yerleşimcileri, Kolombiya yer altı sincaplarının yuvalarının derinliklerini kullanarak evlerini yer üstünde inşa etmişlerdir. Daha yakın zamanda, bilim insanları, hamam böcekleri gibi böceklerin denge sistemlerini tersine mühendislik yaparak daha istikrarlı robotlar tasarlamışlardır.

Özellikle bukalemunlar, robotik endüstride büyük bir ilham kaynağı olmuştur. Waterloo Üniversitesi mühendisleri, bukalemunların ve solucanların etkili tutuş yeteneklerini inceleyerek bir gün doktorların ameliyat yapmasına yardımcı olabilecek küçük bir robot geliştirdiler.

Max Planck grubu, bukalemunların sert inişlerinden elde edilen içgörüleri, robotik hava araçlarının daha disiplinli konaklamalar yapmasını sağlamak için kullanmayı hedefliyor. NASA bile sürüngenlerden ilham alıyor; bukalemun yapışkanı Uluslararası Uzay İstasyonu’nda test ediliyor. Bu arada, Boston Dynamics’in RiSE robotu, bukalemun esinli ayaklarıyla doğanın dehasının şaşırtıcı icatlar ve ürünler için nasıl kullanılabileceğini gösteriyor.

Şimdi, doğadan ilham alan ürünler tasarlayan birkaç şirkete bir göz atalım:

#1. Velcro Industries

1941’de, İsviçreli mühendis ve girişimci George de Mestral, kendisi ve köpeği üzerinde bulduğu dikenli tüylerden ilham alarak Velcro’yu icat etti; bir mikroskop altında dikenli tüyleri incelediğinde basit ama zekice bir mekanizma keşfetti: küçük kancalar ve kumaş halkaları, tüylerin yüzeylere sıkı bir şekilde yapışmasını sağlıyordu. Bu, dikenli tüyün yapısını potansiyel bir bağlayıcı olarak taklit etmeye yol açtı.

Velcro’nun ALFA-LOK marka bağlayıcıları da mantarların benzersiz yapısından ilham alır. Bağlayıcı, mantarların şapkalarına benzer küçük kancalar içerir; bu kancaların üst kısmında bir kapak bulunur ve bu, küçük sporları koruyan ve örtmek için bir şemsiye gibi görev yapar ve güvenli bir kapanış oluşturur.

Doğadan ilham, Velcro’nun belirttiği gibi, bebek bezi güvenliğini sağlamış, bizi ayağa çıkarmış ve 2.000’den fazla patente yol açmıştır. Bugün Velcro, genel bir terim haline gelmiş ve bilişim, sağlık ve otomotiv gibi geniş bir yelpazede kullanılmaktadır.

#2. Sharklet Technologies 

Bakteri yayılımını önlemek için bu şirket, sağlık ortamlarında uygulama bulabilecek bakterileri ve mikropları büyümeyi engelleyen yüzeyler geliştiriyor; bu yüzeyler sert kimyasallar veya antibiyotiklere dayanmak yerine, yapılarının kendisinden antibakteriyel özellikler kazanıyor.

Bu yüzeyler, köpek balığı derisinin dokusundan ilham alan mikroskobik desenlerin benzersiz bir kaplamasını içerir. Yaklaşık 3 mikron yüksekliğinde ve 2 mikron genişliğinde ölçülen bu desenler çıplak gözle ya da parmakla hissedilemez. Şirket, Sharklet mikropatronesinin birkaç varyasyonunu geliştiriyor; pozitif olanlar yüzeyden dışarı çıkar, ters olanlar ise malzemenin yüzeyine gömülüdür.

Desen, 2002’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Dr. Anthony Brennan’ın gemi ve denizaltı gövdelerinin algalarla kaplanmasını önleme sorununa çözüm bulduğu zaman ortaya çıktı. Köpek balığı derisinin izlenimini taramalı elektron mikroskobu ile incelediğinde,hderinin elmas deseninde, mikroorganizmaların yerleşmesini engelleyen küçük kaburgacıklarla düzenlendiğini keşfetti.

#3. BioMASON

Altyapı sektöründe bu şirket, biyomimikriyi kullanarak küresel CO2 emisyonlarının %8’ini oluşturan çimentoyu üretmektedir. Çimentonun talebi arttıkça inşaatın iklim etkisini azaltmak için Biomason, çimento üretim şeklini değiştirdi.

Şirket, teknolojisini diğer firmalara pazarlarken, doğanın en dayanıklı ve uzun ömürlü yapılarından biri olan mercan resiflerinden ilham aldı. Doğal olarak kabuk ve mercan resiflerinde kalsiyum karbonat oluşumunu taklit ederek, Biomason, kireçtaşını ısıtarak karbon çıkarmak yerine biyociment üretmek için benzer bir süreç benimser.

Şimdi, biomimikriyi kullanarak binalar için güçlü ve sürdürülebilir malzemeler üretmeyi hedefliyor. Maden atıklarından agregat ekleyip, bu agregatı bağlayıcı ajan olarak mikroorganizmaları kullanıyor ve kurutma sürecinde güneş ısısını kullanıyor. Şirket, Savunma Bakanlığı İleri Araştırma Proje Ajansı’ndan (DARPA) Mühendislik Yaşayan Deniz Cimentini geliştirmek için finansman sağladı. Ayrıca, Project MEDUSA yürütülmekte; bu proje, mikroorganizmalar kullanarak uzak bölgelerde askeri sınıfı pistler ve yapılar inşa etmeyi amaçlıyor.

Sonuç

Wang’ın söylediği gibi, yaprakböcekleri ve diğer böcekler “hata değil; ilhamdır.” Yıllardır bilim insanları doğayı inceleyip yukarıda belirttiğimiz gibi ürünler tasarlıyor. Sürekli araştırma, umut verici sonuçlar ve çok spektral kamuflaj, optik şifreleme ve çok yönlü antireflektif kaplamalar gibi alanlarda sonraki uygulamalar sayesinde, anti-reflektif yaprakböcekleri brokosomları gibi çalışmalar birçok teknolojik ilerlemeye yol açabilir ve çeşitli endüstrilerde büyük değişiklikler getirebilir.

Robotiklerin doğadan ilham almasını öğrenmek için buraya tıklayın.