Fotonik Kristaller: Bazı Canlılara Renklerini Veren Yapılar

Özellikle fen bilimleri birbirinden tamamen bağımsız olmayan bilim alanlarıdır. Doğadaki birçok şeyi açıklarken tek başına biyoloji yeterli olmamaktadır. Bunun nedeni canlıların yer aldıkları evrenin bir parçası olarak cansızlarla aynı fizik ve kimya yasalarına bağlı olmalıdır.

Doğada gözlem yaptığımızda da ilk dikkat çeken ayrıntı ışığın insan gözüne yapmış olduğu o muazzam renk cümbüşüdür. Bu renkler nereden gelmektedir? Doğal olarak en belirgin yanıt pigment denilen maddeler olacaktır. Bu maddeler görünür ışık altında yer alan belli ışıkları (mor ışıktan kırmızı ışığa kadar) soğurabilirler ve yansıtabildikleri ışık halinde de görünürler. Damarlarımızda oksijeni kendisine bağlamakla görevli olarak dolaşan bir protein olan hemoglobini aklınıza getirin, ortasında demir elementi taşıyan bu kırmızı protein kırmızı renkli görünürken aynı yapıda olup da bu sefer ortasında demir yerine magnezyum elementi barındıran klorofilin de yeşil renkli olması rastlantı değildir. Klorofil mor-mavi ve kırmızı ışığı soğurur, buna karşılık yeşil ışığı yansıtır; biz de yaprakları bu sayede yeşil renkte görürüz.

Pigmentler haricinde hayvanlarda renklenmede işlev gören başka şeyler de vardır. Burada esas olarak bu yapılardan bahsedeceğiz. Fotonik kristaller dielektrik (yalıtkan) sabitinin periyodik olarak değiştiği yapılardır. Son yıllarda ışığın kontrol edilerek istenilen değişikliklerin yapılmasını ve birbirinden değişik optik uygulamaların ortaya çıkmasını sağladığı için bu yapılar modern teknolojinin gelişiminde oldukça önem kazanmıştır. Fotonik kristaller bant aralığı yönünden yarıiletkenlerle benzerlik gösterirler. Bu durumda, yarıiletken malzemelerdeki elektronların yerini, fotonik kristallerde fotonlar alır. Bu nedenle bu maddeler içinde ışığın yayılımını anlamak için, periyodik ortamlarda dalga yayılımının incelenmesi gerekir. Fotonik kristaller bir, iki ya da üç boyutta periyodik olabilirler.

Fotonik kristaller başlangıçta yapay maddeler olarak düşünülmesine rağmen doğada var oldukları artık bilinmektedir. Doğada fotonik kristallerin bulunmasına rağmen, bilim adamları fotonik yapıları ancak 20. yüzyılda yapay olarak üretebilmişlerdir. Doğaya baktığımız zaman özellikle bazı canlıların renklenmesinde bu yapıların işlevselliği daha net görülebilmektedir. Bazı kelebek kanatları ve tavus kuşu tüyleri renk pigmentleri içermediği halde fotonik kristaller sayesinde çeşitli renklenmelerle karşımıza çıkmaktadırlar. 

Kristallerde ışığın nasıl kırıldığı ilk Bragg tarafından açıklanmıştır. Bu yüzden Bragg Yasası olarak da bilinir. Bu kısım biraz optik konusuna girmektedir. O yüzden çok fazla detaya giremeyeceğim. Kısaca demek gerekirse kristal üzerine gönderilen ışınlar kristalde kırınıma uğrayarak saçılır. Bu saçılan ışın bir film üzerine düştüğünde kırınım desene oluşmuş olacaktır. Bu kristaller bir kelebeğin kanadında yer aldığında ise oluşmuş olan bu kırınım deseni kanadın rengini meydana getirmiş olacaktır.

Kelebeklerin kanatlarında renklenmeyi sağlayan bu kristaller farklı türlerde yapılan çalışmalarda elektron mikroskoplarında incelenmiştir. Elektron mikroskopları genel olarak iki tiptedir. SEM (Taramalı elektron mikroskobu) morfolojisi hakkında bilgi alınmasını sağlarken TEM (Transmisyon elektron mikroskobu) kesit alınarak daha detaylı incelenmesine olanak sağlamıştır. Aşağıdaki fotoğraflarda sırasıyla SEM'de ve TEM'de kristal yapıları görülmektedir. Fotoğraflar P. sesotris türüne aittir.