Metamalzeme Nedir?

Meta öneki; 'ötesi' anlamına gelen Yunanca bir kelimedir, malzemenin özelliklerinin doğada gördüğümüzün ötesinde olduğunu belirtir. Metamalzemeler, doğada bulunmayan şekillerde ışık ve diğer enerji biçimleriyle etkileşime girmelerine neden olan benzersiz mikro ve nano ölçekli desenler veya yapılar etrafında tasarlanmış yeni bir fonksiyonel malzeme sınıfıdır.

Eşsiz özellikleri, doğal malzemelerde bulunan kimyasal bileşimlerinden ziyade iç mikro yapılarından kaynaklanmaktadır. Atomların düzenini belirli geometrilerde manipüle ederek, metamalzemeler, doğal malzemelerle mümkün olmayan özelliklere ve yeteneklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir.

Metamalzemeler nasıl çalışır?

Metamalzeme tasarımının özü, belirli özellik ve işlevlere sahip yapay olarak hazırlanmış yapısal birimler aracılığıyla malzemeler oluşturmaktır. Yapay "atomlar" ve "moleküller" olarak adlandırılan yapısal birimler şekil, boyut ve kafes sabiti açısından özelleştirilebilirken aralarındaki etkileşimler tasarlanabilir. Ek olarak, istenen özellikleri daha da geliştirmek için 'kusurlar' stratejik olarak yerleştirilebilir. Nano ölçekli birim hücreleri istenen bir geometride düzenleyerek, metamalzemenin kırılma indisi pozitif, sıfıra yakın veya negatif değerlere ayarlanabilir. Mesela ilgi çekici bir metamalzeme uygulaması, mevcut herhangi bir teknolojiyi gölgede bırakan seviyelerde ışık büyütme sağlayabilen bir cihaz olan süper mercektir. Bir süper mercek, görünür ışığa sahip normal bir optik merceğin izin verdiği kabaca 200 nanometreden çok daha küçük nesnelerin görüntülenmesini sağlar. Taramalı elektron mikroskopları, tek bir nanometre aralığına kadar çok daha küçük nesneleri yakalayabilse de, pahalı, ağır ve büyük bir masa boyutunda oldukları için çok taşınabilir değillerdir. Süper mercek kavramı, alt kırınım-sınırlı görüntüleme kabiliyetini gösterdiğinden, potansiyel nanofotolitografi için umut verici bir teknoloji olarak tasavvur edilmişlerdir. 

Metamalzemeler, bir malzemedeki ışığın yolunu tam olarak kontrol etme potansiyeli sunar. Bu, geleneksel olarak hantal optik sistemlerin son derece küçük formlara dönüştürülmesine olanak tanır. Metamalzemeler, şu anda mevcut optik donanımla erişilemeyen yeni özellikleri desteklemek için özelleştirilebilir ve bu da tamamen yeni optik sistemlere yol açabilir. Geleneksel malzemeler, malzemenin özelliklerine bağlı olarak ışık veya radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyonla etkileşime girer. Camın ışığı nasıl büktüğüne veya altının ışığı nasıl yansıttığına alışkınız. Bu nesnelerle günlük karşılaşmalarımızda ne bekleyeceğimizi biliyoruz. Örneğin; altının tamamen parlak ve sarımsı olmasını beklersiniz, ancak altının yüzeyini nano ölçekli yapılarla değiştirdiğinizde, ışığın altın yüzeye çarptığında nasıl davrandığı değişir ve bu da onu nasıl gördüğümüzü değiştirir. Bu nano yapılar, altını geleneksel bir malzemeden bir metamalzemeye taşır. Sonuçta altının kimyasal özellikleriyle ilgili hiçbir şey değişmemiş olsa da, şimdi onu mavi veya kırmızı olarak görüyor olabiliriz. Aynı değişiklikler görünür spektrumun dışındaki elektromanyetik dalgalarda veya ses dalgalarında da uygulanabilir. Bu tasarım malzemeleri, elektromanyetik radyasyonun yollarını, yalnızca görünür ışıktan değil, aynı zamanda radyo dalgalarından yüksek enerjili gama ışınlarına, yeni ve farklı şekillerde bükerek çalışır.

Metamalzemelerin en çok aranan özellikleri arasında ışığın ve diğer radyasyonun negatif kırılma indeksi vardır. Bilinen tüm doğal malzemeler pozitif bir kırılma indisine sahiptir, böylece bir ortamdan diğerine geçen ışık yayılma yönünde hafifçe bükülür. Örneğin, standart koşullardaki hava, 1'in biraz üzerinde gezinerek doğadaki en düşük endekse sahiptir. Suyun endeksi 1,33'tür. Elmasınki yaklaşık 2.4'tür. Bir malzemenin kırılma indisi ne kadar yüksekse, ışığı orijinal yolundan o kadar fazla saptırır. Bununla birlikte, bazı metamalzemelerde, ışık ve diğer radyasyon yapıya girerken geriye doğru bükülecek şekilde negatif kırılma meydana gelir. Bu tür negatif kırılma malzemeleri ile elektronik imalatı, litografi, biyotıp, yalıtkan kaplamalar, ısı transferi, uzay uygulamaları ve belki de optik hesaplama ve enerji toplamaya kadar birçok yeni uygulamayı mümkün hale gelir.

Metayüzeyler Nedir?

Metamalzemelerin büyüleyici işlevleri tipik olarak çok sayıda malzeme katmanı gerektirir, bu da hem büyük kayıplara yol açar hem de nanofabrikasyonda birçok zorluk getirir. Metayüzeyler (metasurfaces), başlangıçta metamalzemelerin karşılaştığı engellerin üstesinden gelmek için geliştirilmiş ince filmlerdir. Metayüzeylerin çalışma prensibi kırınım olgusuna dayanmaktadır. Işığın ve çeşitli dalga boylarının manipüle edilebilmesine olanak sağlarlar. Örneğin, bir metamalzeme görünmezlik pelerini, ışık dalgalarının yollarını gizlenmiş bir nesnenin etrafında büker, onları yolda hızlandırır ve diğer tarafta yeniden birleştirir. Böylece, bakan kişi nesnenin arkasında bir şey olduğunu görebilirken, nesnenin ne olduğu görünmez hale gelecektir. Optik kamuflaj (görünmezlik gizleme cihazı gibi), gelen ışığın nesneden kaçınmasına, nesnenin etrafında akmasına ve bozulmadan orijinal yörüngesine dönmesine neden olarak bir nesneyi görünmez yapan bir teknolojidir. Işığın bu manipülasyonu, metamalzemeler üzerine yapılan araştırmalardaki son gelişmeler sayesinde muhtemelen gerçekçi olacaktır. Bugüne kadar birkaç araştırma enstitüsü, metamalzemelerin olağanüstü optik özelliklerini ve dönüşüm optiği tekniğini kullanarak görünmezlik kamuflaj cihazlarının teorik ve deneysel çalışmalarını yürütmüştür. 

Optik kamuflaj ve görünmezlik pelerini örneği

Son yıllarda optik metamalzemelere olan olağanüstü ilgiye rağmen, umut edilen cihazlar ve uygulamalar büyük ölçüde henüz ortaya çıkmamıştır. İlk nesil metamalzeme tabanlı cihazların büyük olasılıkla iki boyutlu eşdeğerlerinden metayüzeylerden ortaya çıkacağı düşünüldüğü için araştırmacılar çalışma yoğunluğunu bu yüzeylere aktarmıştır. İlgi çekici çalışmalardan biri de düşünce kontrolünün mümkün olduğu farklı beyin-bilgisayar arayüzlerinin geliştirilmesidir. Bu sistemler beyin dalgalarını elektrotlarla okumak ve daha sonra anlamlarını analiz etmek metoduyla çalışır. Yani bu çalışmaların ilerlemesi durumunda; zihninizle bir tekerlekli sandalyeyi kontrol etmek, bir beyin implantı aracılığıyla sohbet etmek ve hatta Neuralink implantı sayesinde bilgisayar oyunları oynamak mümkün olabilir. 

Yapısı Düşünce İle Değiştirilebilen MetaYüzeyler Mümkün Mü?

Çin’de bir grup araştırmacı, deneyleri için özelleştirilebilir metamalzemeleri dört farklı yansıma veya absorpsiyon modelinde, dört farklı sinyali gösterecek şekilde programladıklarını bildirmiştir. Henüz kaşık bükemeseler de, bir kişinin bir metayüzeyi zihniyle uzaktan kontrol etmesine izin veren bir telekinetik teknoloji geliştirmişlerdir. Programlanabilir bir metayüzeyi Bluetooth kullanarak kontrol etmek için bir kişinin beyin dalgaları kullanılmıştır. Ekibin yaklaşımını benzersiz kılan şey, metayüzeye doğrudan, kablolu bir bağlantı gerektiren önceki deneylerin aksine, deneğin onu uzaktan manipüle edebilmesidir.

Dinamik yüzeyi kontrol etmek, kafanın dışına yerleştirilen elektrot sayesinde gerçekleşmiştir. Bu elektrot, elektriksel beyin aktivitesini okuyabilir ve metamalzemenin kontrol ünitesine iletebilir şekilde tasarlanmıştır. Algoritmalar daha sonra elektrot bağlı kişinin ne kadar uyanık olduğunu anlamak için beyin dalga modellerini kullanmıştır. Önceki çalışmalar, belirli beyin dalgası bileşenlerinin yüksek düzeyde dikkat ile arttığını göstermiştir. Kullanıcının dikkat düzeyine bağlı olarak, bir kontrol modülü daha sonra dört sinyalden birini meta-arayüze göndermiştir. Bu daha sonra önceden tanımlanmış desenlerden birini göstermiştir. 

Araştırmacılar bu çalışmayı, "Arkasındaki fikir, bir malzemenin elektromanyetik tepkisini doğrudan bir kullanıcının beyin dalgaları aracılığıyla kontrol etmektir" diye açıklamıştır. Beyin-materyal arayüzünün daha sonraki bir pratik testinde; araştırmacılar elektrotlu bir test kişisini radyasyon korumalı bir odaya almış, metamalzeme ve gigahertz aralığında konsantre radyo ışını olan bir radyasyon kaynağını da bir masanın üzerine dikey olarak yerleştirmişlerdir. Böylece araştırmacılar, metayüzeyin radyasyonu hangi yönde ve ne kadar güçlü bir şekilde yansıttığını belirleyebilmişlerdir. Başarı elde edilen deneyde, denek yoğun bir şekilde tek bir şeye odaklandığında metayüzey kırınım modeli değişmiştir. Ölçülen yansıma desenlerinin modelden alınan simülasyonla aynı olduğu görülmüştür. Böylece düşünce kontrolü ile bir metayüzeyin elektromanyetik özelliklerini kontrol etmek mümkün olmuştur. Araştırmacılar, "Gelecekte bu ilke, akıllı sensörler, 5G/6G iletişimi veya dikkatin izlenmesi dahil olmak üzere diğer düşünce kontrollü işlevlere de genişletilebilir" açıklamasında bulunmuştur.

Ekip makalelerinde "Beyin dalgalarını toplayabilir ve bunları metayüzeylerin kontrol sinyalleri olarak kullanabilirsek, kullanıcıların yalnızca metayüzeyleri zihinleriyle kontrol etmelerine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda metayüzeylerin tepki oranını da geliştirebiliriz." demiştir. Bu çalışma, gerçekten akıllı metayüzeylere doğru büyük bir adımdır ve ilerleyen yıllarda nasıl bir gelişme göstereceği merak konusudur.