Pigmentsiz renk: kelebekler ve tavus kuşu

Kısa cevap

Bir Morpho kelebeğinin mavisi ya da tavus kuşunun tüylerindeki yeşil ve mavi, ışığı soğuran bir boya maddesinden değil, ışığın dalga boyu ölçeğindeki düzenli yapılardan doğar: kanadın pullarındaki ince kütikül ve hava katmanları, tüylerin içindeki düzenli çubuk dizileri, bazı dalga boylarında yansıyan ışığı birbirini güçlendirecek biçimde üst üste bindirir. Öğütülmüş bir mavi kelebek kanadı mavi kalmaz, çünkü öğütme bu düzeni yok eder; geriye rengi veren yapı değil, yalnız malzemenin kendisi kalır ve o da neredeyse renksiz, soluk bir tozdur. Aynı ilke sabun köpüğündeki gökkuşağı renklerini, bakış açısıyla değişen yanardöner parıltıyı ve bugün boya, kozmetik ve tekstilde doğadan öğrenilen uygulamaları açıklar.

Pigment mi, yapı mı?

MA-01, bir molekülün belirli dalga boylarını soğurarak nasıl renkli göründüğünü anlatmıştı. Pigmentlerin rengi böyle doğar: soğurulmayan ışık gözümüze ulaşır. Doğadaki renklerin çoğu bu yoldan gelir, ama hepsi değil.

Kinoshita ve Yoshioka'nın derlemesine göre doğadaki renklerin çoğu malzemelerin kendi renginden gelir, ama bazen tamamen fiziksel bir kökeni vardır: ışığın kırınımı ya da girişimi. Bu yapısal renkler, çağdaş nanoteknolojinin bile güçlükle ulaşabildiği küçüklükte mikro yapılardan doğar.

Pigment rengini ve yapısal rengi ayırmanın basit bir yolu vardır: yapıyı bozmak. Bir pigment ezilince rengi büyük ölçüde korunur, çünkü renk molekülün kendisindedir. Yapısal bir renk ise ezilince kaybolur, çünkü renk düzendedir.

Sabun köpüğünden çok katmanlı aynaya

MA-10, sedefli pigmentlerde ince film girişimini ve bakış açısıyla değişen rengi anlatmıştı. Sabun köpüğü bunun en tanıdık örneğidir: köpüğün zarı birkaç yüz nanometre kalınlığındadır, zarın ön ve arka yüzeyinden yansıyan ışık üst üste biner ve bazı dalga boyları güçlenir, bazıları söner. Zar süzülüp inceldikçe güçlenen renk değişir; köpüğün üzerinde akan renk bantları, zarın kalınlığının haritasıdır.

Tek bir ince katman zayıf bir renk verir. Katmanlar tekrarlandığında etki büyür.

Her katmanın optik kalınlığı, yani kalınlığı ile kırılma indisinin çarpımı, hedef dalga boyunun dörtte biri olduğunda arayüzlerden dönen dalgalar tam aynı evrede buluşur. Katman sayısı arttıkça yansıma o dalga boyunda yüzde yüze yaklaşır, bant daralır. Bir sayıyla görelim: kırılma indisi 1,56 olan 73,7 nanometrelik bir kütikül katmanının optik kalınlığı 115 nanometredir; 115 nanometrelik bir hava katmanınınki de 115 nanometredir. İkisi de 460 nanometrenin dörtte biridir. Bu yüzden böyle bir yığın, 460 nanometredeki maviyi güçlü biçimde yansıtır. İki malzemenin kırılma indisleri arasındaki fark ne kadar büyükse, her arayüzden dönen ışık o kadar güçlü olur ve aynı yansımaya daha az katmanla ulaşılır. Bakış açısı eğikleştikçe ışığın katman içinde izlediği yol değişir ve güçlenen dalga boyu kısalır: renk maviden mora kayar. MA-10'da açıya bağlı renk dediğimiz, gündelik dilde yanardönerlik diye bilinen etki budur.

Morpho kelebeği: iki katman pul

Güney ve Orta Amerika'nın Morpho kelebekleri, yapısal rengin en ünlü örneklerindendir. Vukusic ve Sambles'a göre Morpho kelebekleri çarpıcı mavilerini üst üste dizilmiş kütikül ve hava katmanlarıyla üretir.

Vukusic ve arkadaşları 1999'da tek tek pullara odaklanmış lazer ışığıyla, Morpho pullarının ne kadar ışık yansıttığını ve geçirdiğini ölçtü. Bazı pullar mavi ışığın yüzde 75'ine kadarını, bir düzlemde 100 dereceden geniş bir açı aralığında yansıtıyordu. Kelebeğin mavisinin neredeyse her yönden görülmesinin bir nedeni, parlak yanardöner pulların üstünde daha saydam ikinci bir pul katmanının bulunmasıdır: bu üst katman ışığı güçlü biçimde kırınıma uğratır ve yansıyan ışığın yayıldığı açıyı genişletir.

Aynı çalışmada, pulların yapıldığı kütikülün kırılma indisi, indis eşleme denen bir yöntemle yaklaşık 1,56 olarak ölçüldü.

Kinoshita ve Yoshioka'nın vurguladığı nokta burada görünür hâle gelir: tamamen düzenli bir yapı rengi çok parlak ama yalnız dar bir açıda verir, tamamen düzensiz bir yapı ise rengi yok eder. Vukusic ve arkadaşlarının ölçtüğü ikinci pul katmanı bu dengenin bir örneğidir: alttaki pulların düzenli katmanları parlaklığı, üstteki saydam pulların kırınımı geniş açıyı sağlar ve sonuç hem parlak hem her yönden görülen bir mavidir. Kelebeğin mavisinin bir işlevi de vardır; bu işlev, türdeşlerle uzak mesafeden iletişim ve eş seçimi gibi konularla birlikte DO-03'ün konusudur. Burada soru, bu mavinin fiziğidir.

Tavus kuşu: iki boyutlu bir kristal

Tavus kuşunun tüylerindeki renkler de yapısaldır, ama yapı başka türlüdür. Tüyün kılcıklarının dış kabuğunda, çubuk biçimli öğelerin düzenli bir ızgara oluşturduğu iki boyutlu bir yapı vardır.

Yani tavus kuşu tek bir yapı türüyle bütün renklerini üretir; mavi, yeşil ve kahverengi arasındaki fark, aynı ızgaranın aralığında ve tekrar sayısındadır. Bir ressamın paletinde her renk için ayrı bir pigment gerekirken, tavus kuşu tek bir malzemenin düzenini ayarlar.

Solmayan renk ve doğadan öğrenmek

Yapısal rengin pratik bir üstünlüğü, kaynağının bir molekül değil bir düzen olmasıdır. Pigment molekülleri ışıkla zamanla bozulabilir; yapısal renk ise yapı sağlam kaldıkça ışığın aynı yoldan zarar veremeyeceği bir kaynağa sahiptir. Buna karşılık yapı bozulursa renk hemen gider: bir çizik, bir ezilme ya da boşluklara dolan bir sıvı yeter.

Bu ilkeleri taklit eden malzemeler geliştirilir.

Kinoshita ve Yoshioka'nın belirttiği gibi yapısal renk uygulamaları boya, otomobil, kozmetik ve tekstil sanayilerinde ilerlemektedir; MA-10'daki girişim pigmentleri bu yolun bugün en yaygın ürünüdür. Vukusic ve Sambles'ın saydığı yansıma azaltan böcek gözü yapıları da doğadan öğrenilen başka bir örnektir.

Örnek — bir kanat modelini öğütmek

Kartın sorusunu, Vukusic ve arkadaşlarının ölçtüğü 1,56 kırılma indisiyle kurduğumuz basit bir modelle cevaplayalım. Kütikül ve hava katmanlarını, 460 nanometrede güçlü yansıma verecek kalınlıklarda, yani 73,7 ve 115 nanometre kalınlığında altı kez üst üste dizdik. Işığın her arayüzde nasıl yansıyıp geçtiğini aktarım matrisi yöntemiyle hesapladık ve yansıyan ışığın rengini D65 gün ışığında CIELAB'e çevirdik.

Düzenli yapı dik bakışta mavi ışığın neredeyse tamamını yansıtır; bakış eğikleştikçe renk mora kayar. Kalınlıkları rastgele dağıttığımızda, yani düzeni bozduğumuzda, yansıma bütün dalga boylarında aşağı yukarı eşitlenir: kroma 8'e düşer ve mavi, soluk bir griye döner. Öğütülmüş bir kanadın tozu buna benzer: malzeme aynıdır, ama düzen gitmiştir. Boşlukları kütikülle aynı indisli bir sıvıyla doldurduğumuzda ise arayüzler görünmez olur ve renk tümüyle kaybolur; indis eşlemenin bir yapısal rengi ele vermesinin nedeni budur.

Aynı mavi, bir ten örneğinin yanında da dikkat çeker: dik bakıştaki ton açısı yaklaşık 220 derecedir ve TK-17'deki afiş hesabının gösterdiği gibi renk çemberinde tenlerin toplandığı turuncu yakanın öbür ucundadır. Ama yanardöner bir kumaş ya da takı, bakış açısıyla mora ve koyuya kaydığı için, bir portrede yüzle arasındaki fark çekim açısına göre değişir. Hesap basitleştirilmiş bir modeldir: gerçek Morpho pulları düz katmanlardan değil, sırtlar üzerinde dizilmiş dallanmış yapılardan oluşur ve kütikül ışığın bir kısmını soğurur.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Yapısal renk soğuran bir maddeden değil, dalga boyu ölçeğindeki düzenli yapılarda ışığın girişim, kırınım ya da saçılmasından doğar; pigment ezilince rengini korur, yapısal renk ezilince kaybolur.
2. Çok katmanlı yansıtıcılarda her katmanın optik kalınlığı hedef dalga boyunun dörtte biri olduğunda yansıma güçlenir; bakış eğikleştikçe renk kısa dalgaya kayar. Morpho pulları mavi ışığın yüzde 75'ine kadarını 100 dereceyi aşan bir açıda yansıtır; tavus kuşu tek bir fotonik kristalin aralığını ve tekrar sayısını ayarlayarak bütün renklerini üretir.
3. Modelde düzenli yapı dik bakışta mavinin yüzde 99'unu yansıtır; düzen bozulunca yansıma soluk bir griye, boşluklar eşleşen indisli bir sıvıyla dolunca renksize döner. Öğütülmüş bir mavi kelebek kanadı bu yüzden mavi kalmaz.

Kendini sına

1. (Kolay) Yapısal renk ile pigment rengi arasındaki temel fark nedir?
2. (Kolay) Tavus kuşu farklı renklerini hangi iki ayarla üretir?
3. (Orta) Öğütülmüş bir mavi kelebek kanadı neden mavi kalmaz?
4. (Orta) Çok katmanlı bir yansıtıcıda renk neden bakış açısıyla değişir?
5. (Zor) İndis eşleme bir rengin yapısal olduğunu nasıl gösterir?
6. (Zor) Morpho kelebeğinin mavisi neden neredeyse her yönden görülebilir, oysa basit bir çok katmanlı yansıtıcı rengini açıyla değiştirir?

Cevaplar

1. Pigment rengi bir maddenin belirli dalga boylarını soğurmasından, yapısal renk ise dalga boyu ölçeğindeki düzenli bir yapının ışığı girişim, kırınım ya da saçılmayla belirli dalga boylarında güçlendirmesinden doğar; pigment ezilince rengini korur, yapısal renk kaybolur. Bkz. "Pigment mi, yapı mı?".
2. İki boyutlu fotonik kristalin örgü sabitini ve tekrar sayısını ayarlayarak; örgü sabiti rengi değiştirir, tekrar sayısını azaltmak ek renklerle karışık renklenme getirir. Bkz. "Tavus kuşu: iki boyutlu bir kristal".
3. Çünkü mavi, pullardaki kütikül ve hava katmanlarının düzeninden gelir ve öğütme bu düzeni yok eder; geriye yalnız malzemenin kendisi kalır. Modelde katman kalınlıkları rastgele olunca yansıma bütün dalga boylarında eşitlenir ve mavi soluk, neredeyse renksiz bir griye döner. Bkz. "Örnek".
4. Çünkü eğik gelen ışığın katman içinde izlediği yol değişir ve arayüzlerden dönen dalgaların aynı evrede buluştuğu dalga boyu kısalır; modelde tepe dik bakışta 460, 30 derecede 415 nanometredir. Bkz. "Sabun köpüğünden çok katmanlı aynaya".
5. Boşluklar yapının malzemesiyle aynı kırılma indisine sahip bir sıvıyla doldurulduğunda arayüzler görünmez olur ve yapısal renk kaybolur; bir pigment rengi ise böyle kaybolmaz. Modelde yansıma tepesi yok olur ve yalnız dış yüzeyin yaklaşık yüzde 5'lik zayıf parıltısı kalır. Bkz. "Morpho kelebeği" ve "Örnek".
6. Çünkü parlak yanardöner pulların üstünde daha saydam ikinci bir pul katmanı vardır ve bu katman güçlü kırınımla yansıyan ışığı geniş bir açıya yayar; Vukusic ve arkadaşları mavi yansımanın bir düzlemde 100 dereceden geniş bir açıda sürdüğünü ölçtü. Kinoshita ve Yoshioka bunu, yapının düzenliliği ile düzensizliğinin uygun ölçüde birleştirilmesine bağlar. Bkz. "Morpho kelebeği: iki katman pul".

Kaynaklar

• Kinoshita, S. ve Yoshioka, S., «Structural colors in nature: the role of regularity and irregularity in the structure», ChemPhysChem 6(8): 1442–1459, 2005.
• Vukusic, P. ve Sambles, J. R., «Photonic structures in biology», Nature 424(6950): 852–855, 2003.
• Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R. ve Wootton, R. J., «Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales», Proceedings of the Royal Society B 266(1427): 1403–1411, 1999.
• Zi, J., Yu, X., Li, Y., Hu, X., Xu, C., Wang, X., Liu, X. ve Fu, R., «Coloration strategies in peacock feathers», Proceedings of the National Academy of Sciences 100(22): 12576–12578, 2003.

Sonraki adım

MA-09 yansımadan ışımaya geçiyor: morötesinin görünür ışığa dönüşmesini, floresans ile fosforesans arasındaki farkı, fosforlu yelekleri, optik beyazlatıcıları ve banknot güvenliğini anlatıyor ve beyaz bir tişörtün ultraviyole ışıkta neden parladığını soruyor. İnce film girişimini ve açıya bağlı rengi MA-10, rengin canlılardaki işlevini DO-03 anlatır.