İYİLEŞİP IŞIĞI YENİDEN HAPSEDEN ÇATLAK MİKROKRİSTALLER

Fotonik aygıtlar küçülüyor: ışığı taşıyan kılavuzlar, onu hapseden rezonatörler, lazerler. Bu ölçekte mikroskobik bir çatlak onları bozmaya yeter. Yazarlara göre organik optik kristallerde çatlakların nasıl oluşup iyileştiği “büyük ölçüde keşfedilmemiş” durumda.

Kendi çatlaklarını onaran kristaller, onların deyişiyle, “nadir ve dikkat çekici bir olgu”. Makalede anılan önceki örnekler arasında kaya tuzu, potasyum klorür ve alümina ile birkaç moleküler kristal var. Ama çoğu milimetrelerden santimetrelere uzanan boylardaydı ve cımbızla, iğnelerle işleniyordu. Bazıları yavaş iyileşti: yaklaşık 3 milimetre uzunluğundaki kristaller, 24 saat sıkıştırıldıktan sonra yalnızca %6,7 oranında toparlandı. İğne biçimli diğerleri ise milisaniyeler içinde yeniden birleşti.

Çekiç olarak bir mikroskop ucu

Hindistan’daki Hyderabad Üniversitesi ve Karnataka Merkez Üniversitesi’nden Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar ve meslektaşları, kristallerin optik bileşen olarak çalıştığı ölçeğe indi. Morötesi ışık altında turuncu-kırmızı ışıldayan, ışıması 660 nanometrede merkezlenen HDMAC adlı organik bir bileşik kullandılar. Bir cam lamın üzerine çözelti olarak damlatıldığında, birkaç on mikrometre genişliğinde ince kare ve dikdörtgen kristaller oluşturuyor.

Araçları bir atomik kuvvet mikroskobunun kantilever ucuydu; hem kristalleri denetimli biçimlerde çatlatmak hem de parçaları yeniden bir araya itmek için kullanıldı. Yazarlar terimlerini kemik kırıklarından ödünç aldı: enine çatlaklar kristali boydan boya keser, boyuna olanlar onun boyunca uzanır, eğik olanlar çapraz gider; bir avülsiyon (avulsion) ise küçük bir parçayı koparır.

Kaynaşan parçalar

Yaklaşık 13,7’ye 12,5 mikrometrelik bir kristalde, kristalin yan tarafı içeri doğru itildiğinde çapraz bir çatlak kayboldu. Elektron mikroskobu altında onarım neredeyse izsizdi; yüksek büyütmede belli belirsiz bir çizgi görünüyordu. Yalnızca bir parçanın koparıldığı nokta iyileşmeden kaldı.
Yaklaşık 20 mikrometre uzunluğundaki bir kristal iki ayrı parçaya bölündü. Yeniden hizalanıp birbirine bastırıldıklarında hemen iyileştiler. Ardından uçla itildiğinde kristal tek bir gövde olarak hareket etti.
İki farklı kristal düzlemi boyunca oluşan çatlakların ikisi de iyileşti. Kırık yüzeyler temiz kaldığında mikrokristallerin neredeyse tamamı iyileşti; kırık yerine saçılan minik döküntüler iyileşmeyi engelledi.
Aynı moleküler istiflenmeye sahip büyük, pul benzeri bir kristal temiz biçimde çatlamak yerine paramparça oldu ve iyileşmedi.

Ne kadar ışık geri geliyor

Uzun kristaller dalga kılavuzu (waveguide) işlevi görür: bir uçta yayılan ışık öbür uca kadar ilerler. Ekip, 271 mikrometre uzunluğundaki bir kristalin bir ucuna 405 nanometrelik bir lazer tuttu ve kılavuzlanan ışımayı öbür uçta topladı; bunu çatlatmadan önce ve iyileştikten sonra yaptı. İkisinin karşılaştırılması yaklaşık %80’lik bir “iyileşme verimi” verdi. Bu türden altı kristalde verim %32 ile %99 arasında değişti. Kayıplar, onarılmış çatlakta saçılan ışıktan, özellikle de parçaların eksik olduğu yerlerden kaynaklanıyordu.

Yeniden kurulan bir rezonatör

İnce kristaller rezonatör işlevi de görür: üst ve alt yüzleri ayna gibi davranır, böylece aralarında yalnızca belirli ışık renkleri birikir. Kristal ne kadar inceyse bu rezonanslar arasındaki aralık o kadar geniştir. 31’e 28 mikrometre boyutunda ve 1,8 mikrometre kalınlığındaki bir kristal, 17,8 nanometre aralıklı rezonanslar gösterdi.

Ekip onu ortasından boylamasına, ikiye ayırmadan çatlattı. Çatlakta rezonanslar büyük ölçüde bastırıldı. İyileşmeden sonra, sağlam kristalinkiyle örtüşen bir tayfla geri geldiler. Her 257 nanometrede bir, dilim dilim çekilen floresans görüntüleri çatlağın belli belirsiz izini yalnızca üst katmanlarda gösterdi; yaklaşık 770 nanometrenin altında iç kısım iyileşmiş görünüyordu.

Dikiş yerinde daha yumuşak

Kristale aynı kuvvetle bastırılan bir elmas uç, sağlam bölgelerde 95 nanometre, iyileşmiş bölgede ise 115 nanometre battı. İyileşmiş bölgenin katılığı, yani Young modülü, 2,15’ten 1,49 gigapaskala, özgün değerin yaklaşık üçte ikisine düştü; sertliği de kabaca yarıya indi. Yük kaldırıldığında yine de kısmen geri esnedi.

Parçaları bir arada tutan ne? Moleküller arasındaki kuvvetlerin hesapları, iki iyileşme düzlemi boyunca kesintisiz çekim zincirlerine işaret ediyor: moleküller arasındaki hidrojen bağları ve komşu katmanlar arasındaki dipol çekimleri; yazarlar bunları itici güçlerden biri olarak görüyor.

Yazarlar, iyileşme verimini tek bir sayının özetleyemeyeceğinde ısrar ediyor: kristal boyutu, çatlak türü ve parçaların ne kadar iyi yeniden hizalandığı sonucu değiştiriyor. Amaçları hasara dayanabilen optik bileşenler — kırıldıklarında yeniden işe koşulabilen ışıldayan kristaller.