Keşif: Işığın yeni formu

Koyu renk yapıştırmalarda, garip derin-su balıklarında ve LED lambalarda bulunan parıltıların hepsi bir çeşit ışıldama formudur. Diğer bir değişle, ışığı yansıtmak yerine, kendi ışıklarını kendileri yaparlar.

Vermont Üniversitesi ve Dartmouth Koleji’ndeki bilim adamları şimdi bu alanda yepyeni bir yol keşfetti: Bazı moleküller ışıldayan parlaklık oluşturabiliyorlar.

Bu yeni araştırmayı yöneten isimlerden biri olan, UVM’den kimyager Matthew Liptak konuyla ilgili şöyle konuşuyor: “Bu, ışık üretmek için yeni bir metot. Yeni ışık, LED lambaların yeni türleri ve hücrenin içindeki viskoziteyi (yarı sıvı olma durumu) görebilen medikal boyalar dahil birçok umut vadeden uygulama içerebilir.” Yapılan bu yeni çalışma, Natüre Chemistry’nin Eylül sayısında da yayınlandı.

Yeni bir bakış

Bu yeni ışığın nasıl oluştuğunu anlayabilmek için örneğin krep şurubunu düşünebilirsiniz. Bu şurubun kıvamı ince bir sıvıdır. Ivan Aprahamian’ın önderliğinde Dartmouth Üniversitesi’ndeki bilim adamları, moleküler pervaneler adı verilen bazı tuhaf molekülleri keşfettiler. Bu moleküller kayık kürekleri şeklindeydi ve her iki ağzı da bir sap etrafında dönüyordu (Evet, çok çok ince bir sap, öyle ki bir saç telinden binlerce kat daha ince). İnce bir sıvıda, tıpkı su gibi, bu dönen moleküller yığını -bir çeşit boya içeren bor- zayıf, kırmızımsı ışıldayan bir parlaklık veriyor.

Ancak bilim adamları bu molekülleri daha kalın, krep şurubuna benzer çözeltilerin içine koyduklarında -ki bu kalın çözelti gliserol ve etilen glikol idi- bu molekülerin pervanelerinden gelen flüoresan ışık beklenildiği kadar zayıf olmuyordu. Bunun yerine moleküller, spektrumun sonundaki mavi renge yakın canlı yeşil bir renkte daha fazla parlıyorlardı.

Hesaplamalı kimya konusunda uzman olan Liptak: “Bu oldukça şaşırtıcıydı” diye konuşuyor. Dartmouth ekibi onun neden böyle söylediğini anlamak için Liptak’a doğru döndüler. UVM ekibi araştırmalarında Vermont Advanced Computing Core üzerinde simülasyonlar yapıyorlar (Her iki takım da daha sonra spektroskopi ve diğer laboratuvar tekniklerini araştırdılar) ve hatta onlar çok daha “şaşırtıcı” bir şey keşfettiler: Bu ışığın yayılma şekli Kasha Kuralı diye adlandırılan kimya kanununu ihlalden geçiyordu. Liptak sözlerine şöyle devam ediyor: “Biz evrenin çalışma şekline yeni bir yol bulduk ki daha önce bunu anlamamıştık. Bu keşif, Kasha Kuralı adına bir istisna.”

Kuantum mekaniklerinin ürpertici kurallarına göre; dünya renge sahip çünkü moleküller ışığı emiyor ve geri veriyor. Birçok durumda bir molekül, belli bir dalga boyundaki ışığı emer ve bizler de renk çarkında onun bütününü görürüz. Bazı durumlarda ise moleküller, ışığı emdikten kısa bir süre sonra belli bir ışık rengini yayarak “karanlıkta parlarlar”. Buna parlaklık denir.

1950 yılında ünlü kimyacı Michael Kasha parlayan molekülün genellikle, başlangıçta emdiği ışık rengi ne olursa olsun, aynı rengi yaydığını gözlemledi. Liptak’a göre bunun nedeni; ışığı emen ilk adım, molekülün en düşük enerji uyarım durumuna gelebilmesi için moleküler bir rahatlama (hızlı bir titreşim, ısının esnemesi ve salınımı). Bu yüzden tipik bir parlak molekül, spektrumun sonundaki maviye doğru en yüksek enerjiyi emer. Bu basitçe, daha parlak ya da farklı renklerdeki parlaklık anlamına gelmez ancak daha fazla ısı üretir. Liptak: “Bu Kasha Kuralıdır” diyor.

Daha fazla ışık

UVM/Dartmouth ekibi, National Science Foundation’ın (Ulusal Bilim Vakfı) desteği ile bu özel pervane moleküllerinin kalın bir çözelti içinde olduklarında titreşme kapasitelerinin sınırlandığını böylelikle titreşmeleri bitmeden ışığı yaydıklarını gördü. Bunun nedeni kanat şeklindeki pervanenin, ısıyı dışarı çıkarmasına olanak tanıyan kimyasal patikada özgürce dönebilmesi idi. Ancak bu rotasyon kalın bir solüsyonun içinde baskılanıyordu. Çözelti ne kadar kalın olursa moleküllerin kanatları daha az dönüyor, daha fazla ışık yayılabiliyordu. Ekip tam da bu yüzden keşiflerine “Kasha’nın Kuralı’nın Baskılanması” (SOKR) adını verdi.

Liptak konuyla ilgili sözlerine şöyle devam ediyor: “SOKR’ı anlamanın bir yolu da şu; suyu ikiye bölünmüş olarak düşünün. İki tane çıkış noktası var ve bu çıkış noktalarının birisi havuzdan oldukça yukarıya doğru yerleştirilirken diğeri havuz seviyesinde konumlandırılmış. Su gibi düşük viskoziteli çözeltilerde kanatlar (kürekler) çıkışın dibine doğru hücum ederler ve herhangi bir sıçrama olmadan havuza girerler. Krep şurubu gibi yüksek viskoziteli çözeltilerde kürekler yavaşlatılır, yukarıdaki çıkışta bir şelale yaratmalarına olanak tanınır. Işık yayan molekül pervaneleri durumunda ise parlak mavi ışık yaratırlar.”

Kullanışlı ışık

Işığı oluşturma konusundaki bu yeni yol kullanışlı olduğunu da kanıtlayabilir. UVM’den doktora öğrencisi ve çalışmanın yazarlarından Morgan Cousins: “Bulduğumuz bileşik oldukça parlak ve visikozite duyarlılığı nedeniyle çok fazla uygulaması olabilir. Bu tür moleküllerin endüstriyel materyallerden tutun da LED’lerin yeni çeşitleri, biyo-medikal görüntülemeye kadar birçok alanda kullanıldığını görüyoruz.” diyor.

Hücreleri düşünün. Hücrenin içindeki birçok bölümün farklı fonksiyonları vardır ve muhtemelen farklı viskoziteleri de. Ancak bu pek bilinen bir durum değil. İşte tam da bu noktada flüoresan pervane molekülleri yardım edebilir. Yeni keşfedilen moleküller insanlar üzerinde kullanımları açısından güvenli değiller ancak Liptak’a göre çalışma ekibi şu anda benzer bir “biyo-uyumlu” bileşik üzerinde adeta iz sürüyor. Bu da tıbbi bir boyanın içine katılarak test edilebilir veya başka bir yöntem olarak bunlar hücrenin daha yüksek viskozite olan bölümlerinde parlak bir şekilde ışıldayabilir. Moleküller duyarlı bir tanımlama aracı olarak kullanılabilirler. Çünkü içinde oldukları çözeltinin kalınlığına bağlı olarak yaydıkları ışık miktarını tam anlamıyla değiştirebiliyorlar.

Liptak konuyla ilgili açıklamalarına son olarak şunu da ekliyor: “Viskozite biyolojik sistemlerin temel özelliği ki biz şu anda çoğunlukla bunu görmüyoruz.” Ancak bu yeni keşif, **“yeni ışığı”**parlatabilir.