Malzeme bilimcileri, örnek bir malzemeye lazer ateşleyerek onun hakkında çok şey öğrenebilirler. Araştırmacılar, yoğun lazer ışığının renginde bir değişiklik arayan özel bir görüntüleme tekniği olan doğrusal olmayan optik mikroskopi ile ışığın numuneyle nasıl etkileşime girdiğine dair veriler toplayabilir ve zaman alıcı ve bazen pahalı analizler yoluyla malzemenin yapısını ve diğer özelliklerini karakterize edebilir.
Şimdi Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, malzemeyi mikroskobik ayrıntılarla karakterize etmek için doğrusal olmayan optik mikroskopi görüntülerini yorumlayabilen bir hesaplamalı çerçeve geliştirdiler.
Ekip yaklaşımını dergide yayınladı Optik.
Penn State’de malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi olan baş yazar Albert Suceava, “Doğrusal olmayan optik mikroskopi, farklı malzemeler hakkında yapısal bilgileri ortaya çıkarabilen önemli bir araçtır” dedi.
“Madde ve ışık arasındaki egzotik etkileşimleri araştıran yöntem, normalde bizim göremediğimiz malzeme örneklerindeki şeyleri görmek için kullanılabilir. Bu teknikle inceleyebileceğiniz örnekler herhangi bir yerden gelebilir. Yöntem biyolojiden kuantum hesaplamaya kadar pek çok alanda kullanılabilir.”
Suceava, gözlerimizin dünyayı görme şeklinin yansıma, kırılma ve soğurma gibi doğrusal optik etkileşimler yoluyla gerçekleştiğini açıkladı.
Suceava, “Doğrusal olmayan optik mikroskopide, güneş ışığı gibi günlük ışık kaynaklarıyla elde edebileceğinizden daha yoğun ışık elde etmek için odaklanmış lazer ışınlarını kullanıyoruz” dedi. “Ve bu yoğun ışık, bir görüntü oluşturmak üzere algılanan yeni türde optik sinyaller üretebilir. Bu yeni sinyallerin bir örnekte nasıl değiştiğine veya lazer kaynağının polarizasyonu gibi bir şeyle nasıl değiştiklerine bakarak malzemenin yapısı hakkında bir şeyler anlayabiliriz.
“Buradan, klasik optik mikroskoplarla ilgili anlayışımızı kullanarak, bu görüntüleri yorumlayacak ve malzeme özelliklerinin mikroskobik ölçekte belirlenmesine olanak tanıyan bir hesaplama aracı geliştirdik.”
Araştırmacılar, çalışmanın mikroskopi görüntülerinde beklenmedik olayları gözlemledikleri ve bunun numuneden mi yoksa mikroskoptan mı kaynaklandığını sorguladıklarında ortaya çıktığını söyledi.
Suceava, “Bütün bu proje, çok iyi anladığımızı düşündüğümüz bir örnek üzerinde doğrusal olmayan mikroskopi yaptığımızda başladı ancak görüntülerimizde neredeyse optik bir yanılsama gibi açıklayamadığımız şeyler görüyorduk” dedi.
“Dolayısıyla, gözlemlerin yalnızca optik bir yanılsama değil aynı zamanda doğru veriler olduğundan emin olmak için çok uzun zaman harcadık. Mikroskobun ışığa ve çok sıkı odaklandığında sondamıza ne yaptığını tam olarak çözebildiğimizden emin olmamız gerekiyordu. Yaklaşımımız, sıkı lazer odaklamanın örnekle etkileşime giren ışığın polarizasyonu üzerindeki etkilerini modellemeye odaklanıyor.”
Işık, benzersiz frekanslara sahip elektromanyetik dalgalar şeklinde hareket eder ve atomların ve moleküllerin ışıkla etkileşimi (elektromanyetik radyasyon olarak da bilinir) onların yapıları hakkında bilgi sağlar.
Penn State’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü ve makalenin ortak yazarı Venkatraman Gopalan, “Işık, dünyamızı görmemiz için gerçekten merkezi bir öneme sahip; aslında fiziksel gerçeklik algımız, gördüklerimiz tarafından yönetiliyor” dedi. “Işıkla görüntüleme çok temel bir konu ve sürekli olarak nesneleri görüntülemenin yeni yollarını arıyoruz. Bunların hepsi ışığın atomlarla etkileşimi ve saçılmasıdır.”
Elektromanyetik spektrumda radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar birçok ışık dalgası türü bulunur. Her ışık türünün farklı bir dalga boyu ve frekansı vardır ve bilim insanları, nesnelerin ve malzemelerin özelliklerini araştırmak için ışığı nasıl yaydıkları, emdikleri, ilettikleri veya yansıttıkları hakkındaki bilgileri kullanabilirler.
Gopalan, “Atomlar farklı şekilde titreşir ve müzik yapar; farklı ritimlerle dans ederler ve ışık da müzik gibidir” dedi. “Elektronlardan çekirdeklere, atom kümelerinden dönüşlerine kadar hepsi farklı frekanslarda dans ediyor. Neredeyse bir operaya benziyor. Ve örneğin atomların nasıl titreştiğini bilmek istediğinizde, tek bir renk ışık gönderebilirsiniz ve atomlar titreyip bu ışığın bir kısmını emebilir.
“Geriye yansıyan ışık biraz daha kısa ve renk olarak farklı. Biraz daha uzun bir dalga boyuna ve daha küçük bir frekansa sahip çünkü bu, yaydığı az miktardaki enerjiyi yansıtıyor. Atomik ölçekteki yapıya ve moleküllerdeki titreşimlere bakmak, malzemenin çok iyi bir imzasını veriyor.”
X ışınlarından termal görüntülemeye kadar malzemelerin özelliklerini incelemek için ışık kullanmanın birçok tekniği vardır. Bu araştırma için ekip, ikinci harmonik nesil mikroskobu olarak bilinen bir teknik kullandı.
Gopalan, “İkinci harmonik nesil, bir malzemenin frekansını iki katına çıkararak ışığın rengini değiştirmesidir” dedi. “Elektronların orantısız dansını gösteren sinyalleri algılayabiliyor ve bu da malzemelerin polaritesini ortaya çıkarabiliyor. Frekansın bu iki katına çıkması, kızılötesini maviye çevirebiliyor, bu da katı maddelerdeki atomların içindeki elektronların orantısız dansından geliyor.”
Bilim insanları sinyallerden bir görüntü oluşturabileceklerini söylüyor ancak bir materyali gerçekten karakterize etmek, bir görüntü oluşturmaktan daha fazlasını gerektiriyor.
Gopalan, “Neler olup bittiğini, atomların ne yaptığını, yerel özelliklerde neler olup bittiğini bilmemiz gerekiyor, ancak görüntünün bize anlattığı şey zorluydu çünkü gösterip anlatmaktan çok daha fazla bilgi var.” dedi.
Araştırmacılara göre amaç, doğrusal olmayan optik mikroskopideki sıkı odaklanmış ışığın örneklerle etkileşimini doğru bir şekilde modelleyen ve güvenilir niceliksel bilgi sağlayan bir çerçeve geliştirmekti.
Ekip, çerçevelerini çeşitli referans malzemeler üzerinde test ederek sonuçları bilinen özelliklerle karşılaştırdı. Suceava, bunu yaparak örneklerden niceliksel bilgi de çıkarabildiklerini kaydetti. Suceava, niceliksel bilgilerle birlikte belirli özelliklerin anlaşılmasının, yeni malzemeler geliştirmek ve bunların özelliklerini anlamak için kritik öneme sahip olduğunu söyledi.
Suceava, “Çerçevemiz, bir görüntünün neden öyle göründüğünü söylemek için ‘bak ve gör’ün ötesine geçmeye çalışıyor.” dedi. “Farklı ışık kaynakları veya farklı optiklerle görüntülerin değişme biçiminde hangi ek bilgilerin gizlenebileceğini bilmek istiyoruz. Bu çerçevenin, materyalleri karakterize etmenin tutarlılığını ve tekrarlanabilirliğini geliştirmek için doğrusal olmayan optik topluluğunda veri analizi yaklaşımını standartlaştırmaya yardımcı olacağını düşünüyoruz.
“Bu soruna diğer insanların yaptığından daha basit bir şekilde bakmanın ve yine de bilinen örneklerle çok iyi bir uyum sağlayan bir yol bulduğumuzu düşünüyoruz. Sadece bir fotoğraf çekmek yerine malzeme özelliklerini haritalandırarak, çeşitli uygulamalarda kullanılabilecek bir malzeme özellikleri kütüphanesi oluşturmaya yardımcı olabiliriz.”
