Metamalzemeler ve görünmezlik

Antik Yunancada “ötesi, sonrası” gibi anlamlara gelen meta ve Latincede “malzeme, madde” anlamına gelen materia kelimelerinin birleşiminden meydana gelen ve “malzemenin ötesi, malzemeden ilerisi” gibi anlamlara sahip olan metamalzemeler; ismine paralel özelliklere sahip mühendislik malzemelerine verilen isimdir. Metamalzemeler sayesinde geleneksel malzemeler ile elde edilemeyen özelliklere ulaşmak mümkün olmuştur. Uzak mesafelere yapılan kablosuz enerji transferi, giyilebilir sensörler, görünmezlik teknolojileri gibi bilimkurgu olarak kabul edilebilecek pek çok uygulama, metamalzemeler sayesinde elde edilebilmektedir. Sayılan teknolojilerin henüz optimize edilmiş ve pratik uygulamalarına uzak olunsa da bu teknolojilerin temellerini oluşturacak çalışmalar yapılagelmektedir.

Metamalzemeler ile ilgili teorik fikirler yirminci yüzyılda ortaya atılmıştır. Pratik anlamda kullanımı ise 2000’li yıllarda başlamış olup hâlâ gelişime oldukça açık olan bir alandır. Metamalzemeler, Elektromanyetik Yapay Malzemeler ve Metamalzemeler Avrupa Sanal Enstitüsü tarafından, “doğal olmayan spesifik özellikler elde etmek için tasarlanmış yapay malzemeler” olarak tanımlanmıştır. Yapısal blok ya da birim hücre adı verilen yapı taşlarından oluşurlar. İstenilen özellikleri elde edebilmek için birim hücre içindeki malzemeler, malzemelerin geometrileri ve birbirine göre konumları tasarlanır. Bu birim hücreler farklı geometri ve özellikte periyodik olarak bir araya getirildiğinde sonuçta elde edilen makroskobik yapı doğada olmayan nihai özelliklere sahip olabilmektedir. Örneğin metamalzemeler negatif kırılma indisine sahip yüzeylerin elde edilmesine, yani gönderilen ışığın beklenenin aksi bir yönde Şekil 1b’deki gibi kırıldığı bir ortamın oluşmasına olanak sağlar.

Metamalzemeler ile ilgili çalışmaların sayısının artması, spesifik elektromanyetik dalga-madde etkileşimlerinin elde edilebileceğini göstermiştir. Bu durum standart malzemelerle elde edilemeyen teknolojilerin de önünü açmaktadır. Metamalzeme konsepti elektromanyetizma çevresinde gelişmiş olsa da zamanla akustik, mekanik ve termal metamalzemeler gibi alt dalları ortaya çıkmıştır ve uygulama alanları günden güne artmaktadır.

Elektromanyetik metamalzemelerde ise diğerlerine göre daha fazla uygulama alanı keşfedilmiştir. Işınımsal ısı transferi sayesinde uydu sistemlerinin ısıl yönetimi yapılabilmekte, kaplama uygulamaları ile binalar enerji harcamadan soğutulabilmekte, yüksek soğurma kabiliyetli malzeme tasarımları ile yüksek verimli fotodedektörler ya da güneş panelleri geliştirilebilmekte veya emisyon katsayıları düşük yüzeyler tasarlanarak farklı dalga boyu aralıklarında kamuflaj elde edilebilmektedir.

Bir örtü, giysi veya toz vasıtasıyla göze görünmez hale gelmek çoğumuzun hayal ettiği, fantastik ve bilimkurgu dizi ve filmlerde defalarca işlenmiş bir olgudur. Peki Harry Potter’ın pelerini veya Star Trek’teki uzay gemilerinin gizlenme kalkanı ile görünmez olabilmek teknolojik olarak gerçekten mümkün müdür? Hacmi ve kütlesi olan bir cisim en azından belirli bir frekans aralığı için görünmez kılınabilir mi?

Bir cisim bir kaynaktan gönderilen elektromanyetik dalgaların yönünü veya büyüklüğünü değiştirmezse, bu cisim o dalga boyu için görünmez olur. Diğer bir deyişle, bir cismi belirli bir frekans aralığında gizlemek, görünmez kılabilmek için gönderilen elektromanyetik dalgaların geri yansıtılmadan ve saçılmadan, yani gölge oluşturmadan geldiği gibi iletilebilmesi gerekmektedir. Fakat bir cisimden gelen tüm yansımaları tüm açılar için ve cismin bulunduğu ortamdan bağımsız bir şekilde yok edebilmek, daha da önemlisi bunu geniş bir frekans aralığında gerçekleştirebilmek oldukça zordur. Fakat bazı özel teknikler kullanılarak belirli frekans aralıklarında görünmezlik elde etmek mümkündür.

Bu tekniklerden bir tanesi olan “uzaysal bükülüm” tekniğinde, gelen elektromanyetik dalgalar Şekil 2a’daki gibi metamalzemeler kullanılarak oluşturulmuş kapalı bir geometrinin etrafından dolandırılır ve Şekil 2b’deki gibi istikamet kaybına uğramadan veya saçılmadan geldiği doğrultuda yoluna devam eder. Dalgaların seyahat ettiği uzay bir nevi bükülmüş olur. Saklanmak, görünmez kılınmak istenen cisim ise genellikle daire şeklinde olan bu geometrinin içerisine koyulur. Bu şekilde saklanan cisim, o dalga boyundaki dalgalar için görünmez olmuştur. Bu teknikle ilgili ilk deneysel gösterim 2006 yılında Duke Üniversitesi’nden Profesör David R. Smith ve ekibi tarafından duyurulmuştur. İki boyutta gerçekleştirilen çalışmada, metamalzemelerden oluşturulmuş dairelerin iç içe yerleştirildiği bir yapı oluşturulmuş ve gönderilen dalgaların neredeyse hiç bozulmadan bu yapıdan geçmesi sağlanmıştır. Fakat bu çalışma çok dar bir frekans aralığında ve mikrodalga frekansta gerçekleştirilmiştir. Bu etkinin üç boyutta, mesela metamalzemelerden oluşturulmuş bir küre kullanılarak gerçekleştirilebilmesi, daha geniş bir frekans aralığını kapsaması veya daha da önemlisi görünür frekans aralığı olan 400-700 THz seviyelerinde gerçekleştirilebilmesi, halen çözülmeyi bekleyen büyük mühendislik problemleri barındırmaktadır.

Metamalzemeler kullanılarak görünmezlik sağlamaya yönelik öne sürülen bir diğer yöntem saçılımların yok edilmesi tekniğidir. Saklanmak istenen cismin saçılım kesit alanını (SKA) mümkün olduğunca azaltmak esastır. Bu teknikte hedeflenen frekansa göre plazmonik yapılar veya metamalzemeler kullanılarak bir kafes yapı veya kaplama oluşturulur. Gizlenmek istenen cisme gönderilen elektromanyetik dalgaların, cisme çarparak oluşturduğu tüm saçılımlar yok edici girişime uğratılır ve cismin o frekans için SKA’sı sıfıra yaklaştırılır. Cisimden gelen herhangi bir saçılım olmadığı için de cisim bu frekans veya frekans aralığında tespit edilemez. Bu teknikte de saklanmak istenen cismin boyutları ve görünmezlik elde edilmek istenen frekans aralığına bağlı olarak çözülmesi gereken problemler mevcuttur.

İletim hattı kullanarak gizleme, görünmezlik için kullanılabilecek tekniklerden bir diğeridir. Bu teknikte iki veya üç boyutlu iletim hatları kullanılarak bir ağ yapısı oluşturulur. İletim hatları gelen dalgalar için bir kılavuz vazifesi görür ve dalgalar bu iletim hatları vasıtasıyla büyük ölçüde bozulmadan yoluna devam eder. Gizlenmek istenen cisim, gelen dalgayı etkilemeyecek şekilde bu iletim hatları haricindeki boşluklara koyulur ve böylelikle bu dalga için cisim görünmez olur. Yine bu teknikte de saklanmak istenilen cismin boyutları ve görünmezlik elde edilebilecek frekans aralığı ile ilgili limitler bulunmaktadır. Ayrıca iletim hatları aracılığı ile ilerleyen dalgalar boşluktaki dalgalara göre daha yavaş ilerleyeceği için aralarında bir faz farkı oluşmaktadır.

Pasif (enerji kullanılmayan) sistemler kullanılarak elde edilmeye çalışılan görünmezlik çalışmalarında dar bir frekans aralığında başarılı olunsa da frekans aralığı arttıkça gizlenmek istenen cisimden gelen saçılımlar da artar. Bu durum geniş bir spektrumda görünmezlik elde etmenin zor olmasının ana sebeplerindendir. Bu engeli aşmanın bir diğer yolu olan aktif sistemler kullanarak görünmezlik elde etmek, cisimleri belirli bir frekans aralığında gizlemek için kullanılan bir diğer tekniktir. Aktif sistemler sensör ve metamalzemelerin beraber kullanıldığı ve enerji tüketen sistemlerdir. Gelen dalga sensörler ile analiz edilir ve saçılımları, yok edici girişim kullanarak minimize etmek için karşı dalga üretilir. Böylece gelen dalga bu sistemden yansıma veya saçılım yapmadan geldiği gibi gider. Fakat aktif sistemlerle ilgili deneysel gösterimler DC frekanslar için gerçekleştirilmiş olsa da sensörlerden gelen veriyi işleyecek yeterli zaman olmaması sebebiyle sıfır olmayan frekanslarda henüz çalıştırılamamıştır.

Metamalzemeler kullanılarak görünmezlik elde etmek sadece elektromanyetik dalgalar için kullanılan bir teknoloji değildir. Mikrodalga, kızılötesi ve çok sınırlı da olsa görünür frekanslarda yapılan görünmezlik çalışmalarının yanı sıra akustik ve termal dalgalar da metamalzemeler kullanılarak yapılan görünmezlik çalışmaları için önemli konulardan olmuştur. Temel olarak elektromanyetik dalgalardan gizlenmek için kullanılan teknikler akustik ve termal dalgalar için de kullanılabilir.

Akustik metamalzemeler kullanılarak sonarlara karşı elde edilen görünmezlik, özellikle sualtı savunma sistemleri için büyük önem teşkil etmektedir. Bununla beraber ses izolasyonu veya hassas sistemler için titreşimlere karşı sağlanacak yalıtım çözümleri için de akustik metamalzeme görünmezlik sistemleri kullanılmaktadır.

Termal dalgaların temel taşı olan fononlar, yani bir malzemedeki atom ve moleküllerin kolektif titreşimi ile oluşan dalgalar ise foton ve elektronlara benzer şekilde manipüle edilebilir. Metamalzemeler kullanılarak oluşturulan termodinamik görünmezlik sistemleri, kritik komponentleri ısı değişimlerinden korumak veya ısı akışının etkilenmesini engellemek gibi uygulamalarda kullanılabilmektedir.

Görünmezlik ve gizlenme teknolojileri her ne kadar henüz hayal edilen seviyelere ulaşmamış olsa da ihtiyaca yönelik özel olarak tasarlanan ve üretilen metamalzemeler sayesinde en azından belirli frekans aralıklarında görünmezlik elde etmek mümkündür.

- ASELSAN Teknoloji Blogu