Görünmeyeni Görüntülemek Mümkün mü? Mikroskoplarla her şeyi mesela

Mikroskopların daha iyi çözünürlükte görüntü vermesi için farklı seçenekler üzerinde duran Bilkent Üniversitesi’nden Dr. Hasan Yılmaz, bu konuda Hollanda’da Twente Üniversitesi’nde doktora çalışması sırasında kâğıt, boya tabakası ya da biyolojik doku gibi arkası görünmeyen opak bir malzemeyi bir mercek gibi kullanarak yüksek çözünürlüklü bir mikroskopi yöntemi geliştirdi.   Bu çalışmalarını doktora sonrasında Amerika’da Yale Üniversitesi’nde bulunduğu sırada bir adım ileriye götürerek yüksek çözünürlüklü mikroskoplarda kullanılacak özel ışık desenleri elde etmenin yolunu bulan Yılmaz, yeni karmaşık ışık desenleri tasarladı.

Yale uygulamalı fizik bölümü ve tıp fakültesi ortak çalışmasında 2014 Nobel Kimya Ödülü verilen yüksek çözünürlüklü STED görüntüleme yöntemine benzer bir yöntemde Yılmaz’ın tasarladığı ışık desenleri kullanıldı. Bu yeni tasarıma sahip ışık desenleri, optik mikroskopların çözünürlüğünün geniş alanda, üç boyutta ve her yönde eşit derecede arttırılmasını sağlayabilecek. Bu çalışmanın sonuçları bu sene Amerikan Optik Topluluğu’nun Optica Dergisi’nde yayınlandı.

Türkiye’de optik bilimi ve teknolojileri arasında bir köprü kurmayı hedefleyen Yılmaz, henüz yaygın kullanım alanları olmayan opak merceklerin günlük hayatımızda kullandığımız cep telefonlarımızdaki fotoğraf makinelerinden, elektronik çiplerin üretimini sağlayan litografi cihazlarına, tıptaki görüntüleme teknolojilerine kadar birçok alanda uygulama alanlarının olabileceğini söylüyor.

“Kirli malzemeler daha iyi çözünürlükte görüntü sağlayabiliyor”

Optik denildiğinde çoğu kişinin aklına pürüzsüz mercekler ve parlak aynaların geldiğini söyleyen Yılmaz, “Benim çalıştığım konu ise tam aksine düzensiz, pürüzlü ve kirli malzemelerin optiği. Çünkü etrafımızdaki çoğu malzeme böyle, ışıkla görebildiğimiz her şey pürüzlü, düzensiz ve opak, yani ışığı saçıyor. Opak cisimlerin optiği görece daha az anlaşılır ve hala bilmediğimiz çok şey var. Örneğin biyolojik doku opak malzemelere iyi bir örnek. Biyolojik doku opak olduğu için optik mikroskoplar vücudumuzun içini görüntüleyemez. Eğer vücudumuzun içini bir optik mikroskopla görmek istiyorsak önce ışığın bu tür biyolojik doku gibi opak malzemelerde nasıl davrandığını anlamalıyız. Sıradan bir optik mikroskop olabildiğince pürüzsüz yüzeylerden oluşan ve ışık geçirgenliği yüksek olan yani saydam olan bir mercek sistemi kullanır. Bu tür mikroskoplarda görünür ışıkla elde edilebilecek en yüksek çözünürlük, kullanılan ışığın dalga boyunun yarısı, yani yaklaşık 200 nanometre (nanometre=metrenin milyarda biri) civarındadır.  Geliştirdiğimiz yöntem ise, optik mikroskoplara göre oldukça farklı. Merceği mükemmelleştirmeye çalışmak yerine tam tersine olabildiğince kusurlu, pürüzlü hale getirip opak olmasını sağladık. Bu mercek ise, bize oldukça karmaşık bir görüntü bilgisi veriyor. Bu bilgiyi geliştirdiğimiz bir bilgisayar algoritması sayesinde işleyerek sıradan bir mikroskopun görüntüleyebileceğinden çok daha keskin görüntüler elde ettik. Deneysel olarak elde ettiğimiz çözünürlük 116 nanometre. Kısaca bu yöntem optik ve fotonik teknolojileriyle bilişim teknolojilerinin bir arada kullanılmasıyla mümkün oldu” diyor.

“Küçük ölçekteki yapılar bu mikroskoplarla daha web görülecek”

Biyofizik alanında yaptığı çalışmalarda süper-çözünürlüklü görüntülemenin önemine değinen Karolinska Enstitüsü’nden Asst. Prof. Dr. Erdinc Sezgin, “Çözünürlüğü, fiziksel restrict olan 200 nanometrenin neredeyse yarısına düşürmek demek, hücresel mikrokozmozda görebileceğimiz dünyayı iki kat arttırmak demek. Örneğin, boyutları 100-200 nanometre arasında olan virüsleri, küçük bakterileri veya hücrenin içinde özelleşmiş fonksiyonları olan organel dediğimiz yapıları daha detaylı görüntülemek mümkün olacak” diyor.

“Karmaşık görüntüleri algoritmalarla birleştirip yüksek çözünürlüklü görüntü elde ediyoruz”

Hollanda’daki çalışma arkadaşları ile tasarladıkları GaP malzemesinden ürettikleri mercek ile daha önce izlenen yol haritasından oldukça farklı bir yol izleyen Yılmaz, Merceği pürüzsüz bir şekilde üretmek yerine kimyasal bir işlem ile malzemeyi tamamen pürüzlü ve hatta opak hale getirip bir mercek üretti.

“Bu mercek diğer mercekler gibi ışığı tek noktaya değil de milyonlarca farklı noktaya odaklayabiliyor” diyen Yılmaz, “Bu odak noktalarının boyutu ise, ortalama olarak bu malzemelerde yeşil ışıkla elde edilebilecek en küçük boyutta, 116 nanometre kadar küçük olabiliyor.  Yani,116 nanometre ise saç telinden bin kat daha küçük bir boyuta denk geliyor. Ancak bu mercekle elde edilen görüntü web olmuyor. Görüntü tamamen karmaşık ve şifrelenmiş şekilde elde edilebiliyor. Bu mercekle elde edilen birçok karmaşık görüntü bir algoritma ile bilgisayarda birleştirilip yüksek çözünürlüklü web bir görüntü elde edilebiliyor.”

“Gelecekteki çalışmalar bu problemin çözümüne büyük katkıda bulunacak”

“Biyolojik bilimlerdeki ilerlemeler büyük ölçüde sahip olduğumuz teknolojiler sayesinde gerçekleşiyor” diyen Sezgin, “Geliştirilen bu yöntem heyecan verici ve teknoloji repertuvarımıza önemli bir parça daha katıyor. Daha küçük olanı, yüksek çözünürlük yardımıyla daha detaylı ve daha uzun süre görüntülemek mikroskop dünyasının en önemli problemlerinden birisi. Gelecekteki çalışmalar bu problemin çözümüne büyük katkıda bulunacak. Geliştirilen bu teknolojilerin hem yaşambilimleri hem de fiziki bilimlerdeki bilim insanları tarafından kullanılması çok önemli, bu da ancak disiplinler arası iş birlikleriyle mümkün” şeklinde yorumda bulundu.

“Temel amacımız görünmeyeni görünebilir kılma üzerine olacak”

Yakın zaman önce Bilkent Üniversitesi’nde optik bilimi ve teknolojileri arasında bir köprü kurmak için Türkiye’ye dönen Yılmaz, “Kurduğum laboratuvar optik bilimi ve teknolojileri arasında bir köprü kuracak. Sadece ışığın opak cisimler gibi kompleks optik sistemlerdeki davranışıyla ilgili keşiflerde bulunmak değil, ayrıca bu elde ettiğimiz keşifleri kullanarak en son teknoloji ürünlerinden de öteye geçecek, daha yüksek performanslı teknolojilerin geliştirilmesine önayak olacak. İlk aşamada sıradan görüntüleme yöntemlerinin geçersiz olduğu opak sistemlerde görüntüleme ve spektroskopi yöntemleri geliştirme üzerine yoğunlaşacağız. Bunun yanında ışığın uzaydaki şeklini kontrol ederek bilinen görüntüleme yöntemlerinin elde edemediği kalitede görüntüler elde etme üzerine çalışacağız. Temel amacımız görünmeyeni görünebilir kılma üzerine olacak. Bunlara örnek olarak da ışığı çok fazla saçan (beyaz) ya da soğuran (siyah) cisimlerin içini görüntülemeyi verebiliriz” diyor.

Bu çalışmaları Amerikan Optik Topluluğu’nun en önemli dergilerinden Optica’da yayınlandı, makale bağlantıları için:

[1] H. Yılmaz, E. G. van Putten, J. Bertolotti, A. Lagendijk, W. L. Vos, A. P. Mosk, Optica 2, 424-429 (2015) https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.000424

[2] N. Bender, M. Solar, H. Yılmaz, J. Bewersdorf, H. Cao, Optica 8, 122-129 (2021) https://doi.org/10.1364/OPTICA.411007

Kaynak: https://www.indyturk.com/

Görünmeyeni Görüntülemek Mümkün mü?