Kara Delikten Bile Siyah: Vantablack

Siyah renk aslında rengin yokluğudur. Daha doğru ifadeyle ışığın yokluğudur. Tanımı gereği siyah, üzerine düşen ışığı hiç yansıtmayan bir yüzeydir. Ancak bu tanıma uyan hiçbir boya ya da cisim yoktur. Daha doğrusu 2009 yılında Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda (İngiltere) Vantablack’ın üretimine kadar yoktu. Aslında Vantablack bile gerçek anlamda siyah değil, üzerine düşen ışığın %0,035’ını yansıtıyor. Bu bile onu müazzam bir madde yapmaya yetiyor. Vantablack’la kaplanmış buruşuk bir aliminyum folyo, yüzeydeki kırışıklıklar yok olmuş gibi düz ve siyah görünür.

Vantablack’la kaplanmış bir maske sadece konturdan oluşmuş iki boyutlu ve kara bir yüzey gibi görünür. Arkasında adeta uzay boşluğu ya da hiçlik vardır.

Ama şimdilik Vantablack’ın ne olduğunu, nasıl geliştirildiğini, nasıl çalıştığını, ne işe yaradığını bir kenara bırakıp, “siyah nedir?” sorusuna odaklanalım.

Siyah Nedir?

Siyahın tanımını yapmak ne denli kolaysa, siyah bir cisim bulmak o kadar zordur. Tanım olarak siyahın “üzerine düşen ışığın tamamını soğuran bir yüzey ya da cisim” olduğunu söyledik. Gelgelelim ki evrende böyle bir cisim olamaz. Fizikçiler gerçek anlamda siyah bir cisim bulamasalar da teorik olarak ona Kara Cisim derler. Kara cisim, tanımı gereği üzerine düşen tüm ışığı (görünen ve görünmeyen ışıkların tümünü) soğuran bir cisimdir.

Ancak böyle bir cisim olamaz. Bir kara cisim, üzerine düşen ışığı emince ısınacak ve bu ısıyı çevresine ışınım olarak yayacaktır. Gerçekten siyah bir cismin ışıma yapmaması için mutlak sıfır sıcaklığında olması gerekir. Mutlak sıfırın üzerinde sıcaklığa sahip olan cisimler ışıma yapar, yani kara olamazlar (görünür olmayan ışıkları da hesaba katıyoruz.) Kafanızda şu iki sorunun belirdiğini duyar gibi oluyorum:

• Kara delikler gerçek kara cisim sayılabilir mi?
• Uzay boşluğu gerçek kara cisim sayılabilir mi?

Birinci sorunun cevabını hemen verelim: Evet, karadelikler teorik kara cisme oldukça yaklaşan bir örnektir. Üzerlerine düşen her türlü ışınımı yüzde yüz soğururlar. Yani evrendeki her türlü dalga, enerji, parçacık ve foton kara deliğe girer ama kara delikten dışarı hiçbir şey çıkamaz. Ancak yine de kara delikler tam anlamıyla “kara” değillerdir, yani ışıma yaparlar. Bu ışımanın adı Hawking Işımasıdır. Peki, ama bu tanıma aykırı olmuyor mu? Hem kara deliklerin üzerine düşen her şeyi (ışık dahil) yuttuğunu ve hiçbir şeyi geri vermediğini söyleyeceğiz, hem de kara delikler Hawking Işıması yapar diyeceğiz. Kendi kendimizle çelişmedik mi?

Bunun çelişki olmadığını Stephen Hawking kanıtlamıştır. Matematik yoluyla kara deliklerin nasıl ışıma yaptığını açıklamıştır. Şöyle ki: Bir kara delikten dışarı hiçbir şey kaçamaz ama kara deliğin sınırı olan olay ufku evrenden sanal parçacık çalabilir! Sanal parçacıklar eşler halinde yaratılan çok kısa ömürlü parçacık çiftleridir. Evren durmaksızın oluşup yok olan sanal parçacık çiftleriyle doludur. İşte kara delik bu sanal parçacık çiftlerinden bazılarını yutar. Eşi yutulan parçacık gerçek bir parçacığa dönüşür. Bu parçacıklar, uygun bir hareket doğrultusuna sahiplerse, kara delikten kaçabilir ve sonuç olarak da bizlere ışıma olarak görünür. Zaten aslında gerçek bir kara cisim aynı zamanda en iyi termal ışınım kaynağıdır ve en iyi ışınımsal soğuma yapan cisim sayılır. Ne demek istiyoruz bununla?

Bilindiği gibi, bir cismin fazla enerjisini atması, yani soğuması, çeşitli yollardan olmaktadır. Bunlardan birisi iki cisim ya da maddenin teması yoluyla olur (taşınım). Taşınım yoluyla soğuma cismin etrafındaki ortama ısı aktarmasıdır. Ancak uzay boşluğunda bir cisim bu yolla soğuyamaz, tek şansı ışıma yapmaktır. Çünkü etrafında ona temas eden madde yoktur, cisim vakum içindedir. Bu nedenle gök cisimleri soğumasının tek yolu ışıma yapmaktır. Bu çok yavaş bir soğuma biçimidir ama vakumdaki bir cismin soğumasının da başka yolu yoktur. Teoride en iyi ışınımsal soğuma yapan cisim, siyah cisimdir. Yapılan hesaplar kara deliklerin Hawking ışıması ile çok yavaş biçimde kütle kaybettiklerini (buharlaştıklarını) göstermektedir. O halde bir kara delik gerçek anlamda kara olmadığından bizim yaptığımız tanım anlamında siyah cisme örnek olamazlar.

Uzay boşluğu kara mıdır?

Tanımı gereği uzay boşluğu hiçbir şey içermediğine göre, siyah olması gerekmez mi? Ne yazık ki hayır! Uzayın en boş bölgeleri bile (galaksiler arası uzayda büyük oranda maddeden yoksun büyük bölgeler vardır) aslında boş değildir.

Bu yazdıklarım belki sizi şaşırtacaktır. Çünkü okullarda uzayın boş olduğunu öğreniyoruz ve hatta ona “uzay boşluğu” diyoruz. Oysa uzay hiçbir zaman boş değildir; ışınım, seyrek gazlar, fotonlar ve alanlarla doludur. Örneğin Güneş sistemi seyrek Hidrojen gazıyla doludur. Yıldızlararası uzay da keza öyle… Galaksiler arası uzayda bile çok seyrek gazlar vardır. Bu gazların arasında boş bölgeler bulunur ama onlar bile ışınımla (fotonlar) doludur. Uzak yıldızların ışığı buna bir örnektir. Yani bizim en boş dediğimiz yer bile uzak yıldızlardan gelen ışıkla, yani fotonlarla doludur.

Peki, ama gerçek anlamda boş bir uzay parçası bulunamaz mı? Böyle boşluklar bulunsa bile yine de bunlara tam anlamıyla “boşluk” diyemiyoruz, çünkü uzayın her yeri, en küçük milimetre küpü bile, evrenin tamamını dolduran ve mikrodalga arka plan ışınımı denen zayıf bir ışıkla doludur. Kısaca evrenimizin gece lambası daima açıktır. Belki mutlak sıfır sıcaklığındaki bir cisim gerçek anlamda siyah olabilirdi. Ama ne yazık ki bu da mümkün değil, çünkü bilindiği kadarıyla hiçbir cisim mutlak sıfır sıcaklığına erişemez.

Günlük hayatta sadece görünür ışığın tamamını soğuran bir maddeye de rahatlıkla “siyah” diyebiliriz. Ancak, teorik olarak böyle bir cismin ya da boyanın yapılması imkânsızdır. Yine de Vantablack ve öncülü olan Süper Siyah gibi malzemelerle oldukça yüksek bir siyahlık oranına yaklaşılmıştır.

Nasıl Çalışıyor?

Vantablack, yakından bakılınca nano boyuttaki karbon tüplerinin dikey olarak bir yüzey üzerinde büyütülmesi ile elde ediliyor. Bu karbon tüp ormanı, üzerine düşen ışığı içerde hapsederek, soğurulana kadar kaçmasını engelliyor. Bunu bir yüzeye dikey olarak yerleştirilmiş yanyana borular olarak düşünebilirsiniz. Yüzey üzerine düşen ışık ışınları, boruların içinde absorbe olana kadar yansıyor. Zaten VANTA ismi de onun çalışma prensibinden yola çıkılarak verilmiş: Vertically Aligned Carbon Nanotube Arrays. Yani: Dikey Olarak Hizalanmış Karbon Nanotüp Dizileri.

Özellikleri

Vantablack sadece görünen değil, kızılaltı ışınların da büyük bölümünü soğuruyor ki bu özelliği onun değerini daha da arttırıyor.

Bu maddeyle kaplanmış bir yüzey nasıl görünür? Videolarda da görüldüğü gibi, Vantablack’la kaplanmış bir yüzey, neredeyse tamamen görünmez hale geliyor. Yüzeyin bütün ayrıntıları, kıvrımları, tepeleri vs. yok oluyor, tek görebildiğiniz, siyah bir boşluk –adeta uzaya açılmış bir pencere gibi. Bugüne kadar üretilmiş siyah boyalar arasında (ki bunlara matte boyaları ve süper black da dahil) Vantablack açık ara öne çıkmış durumda.

Genellikle siyah bir cisme bakış açısı 180 dereceye yaklaştığında yansıtma özelliği artmaktadır. Bu yüzden yanlamasına tutulduğunda bütün cisimler ayna gibi parlaklaşmaya başlarlar. Bu oldukça iyi bilenen bir olgudur. Vantablack’la kaplanan yüzeyler, dar açıdan bakıldıklarında bile soğurucu özelliklerini kaybetmez ve kaplandıkları yüzeyi görünmez yaparlar. Vantablack’la kaplanmış bir cismi görmek, bir tür illüzyon hissi verir. Aslında orada olan bir şey olduğunu hissedersiniz ama o cismi göremezsiniz. Tek görebildiğiniz cismin dış kenar çizgileridir.

Ne işe yarar?

Müzelerde ilgi nesnesi olarak, ofis ve evlerde dekorasyon ve süsleme amaçlı kullanımın dışında Vantablack nerelerde kullanılabilir? Şimdilik aklımıza gelen bir kaç kullanım örneğini sıralayalım:

1) Teleskoplarda: Teleskopların iç kısmı Vantablackla kaplandığında kaçak ışığın içeri girerek görüntüyü bozmasını engelleyecektir. Bu da çok ciddi bir performans artışı sağlar. Böylece en sönük yıldızları bile görmek mümkün olacaktır. Bildiğimiz kadarıyla Hubble uzay teleskopununun iç kısmı çok keskin bıçaklarla kaplanarak kaçak ışık sönümlendirilmeye çalışılmıştı. Vantablack bu işi daha iyi başaracak. Bildiğimiz kadarıyla Hubble’ın tamiratı sırasında bu bıçaklar astronotlar için tehlike oluşturmuşlardı.

2) Optik araçlarda: Birçok optik araç kaçak ışık denen ve görüntü kalitesin bozan bir sorunla yüz yüzedir. Vantablack kaplaması her türlü optik aletin verimini arttıracaktır.

3) Termal Kamuflajlarda: Vantablack kızılötesi ışınları da soğurduğundan termal kamuflaj malzemesi olarak kullanılmaya çok elverişlidir. Vantablack kaplı giysiler geceleri askerleri hem görünür ışık hem de kızılötesi ışık altında görünmez yapacaktır.

4) Sinema salonlarında: Bilindiği gibi sinema perdesinde siyah renk yoktur! Perdede gördüğümüz siyahlık bir illüzyondur. Bir oyuncunun siyah gömleği ekranda ne kadar büyük yer kaplıyorsa o kadar gri görünecektir. Bunun nedeni, projektörden çıkan ışınların sinema duvarlarından yansıyıp perdeyi aydınlatmasıdır. Büyük perdeli salonların tam olarak karartılamamasının nedeni budur. Oysa Vantablackla kaplanmış bir salonda ekran ne denli parlak olursa olsun, salon daima karanlık olacak, perdedeki siyahlık da gerçek siyaha yaklaşacak ve çok daha kontrastlı bir görüntü oluşturulabilecektir.

5) Güneş Kolektörlerinde: Bilindiği gibi çatılarda kullanılan ve güneş enerjisini ısıya çeviren sıcak su kolektörlerinin verimli çalışabilmesi, ışığı soğuran malzemenin kalitesine bağlıdır. Bu tür kolektörler Vantablack’la kaplanarak güneş enerjisinden daha verimli yararlanmak mümkündür. Belki de Vantablack sayesinde kışın bile ısıtma yapabilen güneş enerjisi panelleri yapmak mümkün olacaktır.

6) Matte Ekranlarda: Bence kısa bir zaman içinde Vantablack ekranlar sinema ve video sektöründe arka planı yok etmek amaçlı kullanılan yeşil ekranların yerini alacaktır. Gerçek anlamda siyah bir arka planın sinema sektöründe paha biçilemez değeri vardır. Mavi ekranın önünde çekilecek sahnelerde mavi renk kullanamazsınız. Bunun yerine Vantablack kullanıldığında sorun ortadan kalkacaktır. Ayrıca Vantablack üzerine düşen ışığı tamamen soğurduğundan stüdyo ışıklarının matte üzerine düşmesi sorun yaratmayacaktır. Böylece arka planı mükemmel bir şekilde ayrılmış filmler çekmek mümkün olacaktır. Bu nedenle Vantablack film yapımcıları için ideal matte boyasıdır.

7) Moda Sektöründe: Giyildiğinde derin uzay gibi görünen bir elbiseye kim hayır diyebilir ki? Hele de o giysi yıldız gibi parıldayan pırlantalarla kaplıysa.

8) Ev ve ofis dekorasyonu: Vantablack’la kaplanmış dekorlar ilgi çekici olacaktır.

9) Biblolar, ödül heykelcikleri ve eşantiyonlar: Uzun uzun açıklamaya gerek yok, Vantablack’la kaplanmış bir eşantiyon biblo kimin hoşuna gitmez ki.

10) Müze ve Sergilerde ve Sanat Eserlerinde: Bilim ve sanat müzelerinde Vantablack’la kaplanmış araç gereç ve oyuncaklar herhalde en çok ilgi çekenler arasında olacaktır.

11) Askeri Uygulamalar: Gelecekte silah ve askeri malzemelerin yapımından Vantablack’ı sıkça göreceğimizi tahmin ediyoruz.

Şimdilik aklımıza gelen kullanımlar bunlar. Ancak kabul edelim ki bu olağanüstü malzemenin aklımıza gelmeyen daha birçok yerde kullanım alanı bulacağı kesindir.