نانوفوتونیک: جبهه‌ای مهیج در فناوری‌نانو
ساعت ٥:۳٧ ‎ب.ظ روز سه‌شنبه ۱٤ اسفند ،۱۳۸٦  

نانوفوتونیک: جبهه‌ای مهیج در فناوری‌نانو

 

نانوفوتونیک[1] جبهه هیجان انگیز  جدیدی از فناوری‌نانوست که اذهان افراد زیادی را در سراسر جهان به خود مشغول کرده است و به برهم‌کنش‌های نور و ماده در ابعاد نانومتری مربوط می‌شود. نانوفوتونیک با افزودن ابعاد جدیدی به علوم و فناوری‌نانو، چالش‌هایی برای تحقیقات بنیادی و فرصت‌هایی برای فناوری‌های جدید پدید آورده است.

گرایش به علوم نانو، در واقع به حقیقت پیوستن ادعای معروف فاینمن[2] است که می‌گوید: "فضای زیادی آن پایین وجود دارد" (فاینمن 1961). او به این نکته اشاره می‌کند که اگر طول یک میکرومتر (یک میلیونیوم متر) را به قطعات نانومتری آن تقسیم کنیم، می‌شود تصور کرد که چه بخش‌ها و فضاهای فراوانی قابل دستکاری خواهد شد.

 ما در عصر جنون نانو[3] زندگی می‌کنیم. هر چیزی که به نانو مربوط شود هیجان انگیز و ارزنده تلقی می‌شود. بسیاری از کشورها برنامه ملی پیشگامی فناوری‌نانو را آغاز کرده‌اند یک گزارش مفصل در مورد برنامه ملی پیشگامی فناوری‌نانوی ایالات متحده توسط شورای تحقیقات ملی[4] (NRC 2002) منتشر شده است. در عین این که فناوری‌نانو نمی‌تواند ادعا کند که برای هر مشکلی راه حل بهتری را فراهم می‌کند، اما نانو‌فوتونیک، فرصت‌های جدید و هیجان‌انگیزی خلق می‌کند و فناوری‌های نوینی را توانا می‌سازد. نکته کلیدی این است که نانو‌فوتونیک به برهم‌کنش‌های نور و ماده در ابعادی بسیار کوچکتر از طول موج خود نور می‌پردازد.

 

نانوفوتونیک در یک نگاه

نانوفوتونیک همان گونه که در شکل آورده شده است، از لحاظ مفهومی به سه بخش قابل تقسیم است. یک رویکرد برای در دست گرفتن برهم‌کنش‌های بین نور و ماده در قطع نانومتری، محدود کردن نور در ابعاد نانومتری است به صورتی که بسیار کوچکتر از طول موج نور باشد.

رویکرد دوم محدود کردن ماده به ابعاد نانوئی است که به وسیله آن برهم‌کنش‌ها در ابعاد نانومتری محدود می‌شوند. این رویکرد به حوزه نانومواد مربوط می‌شود. آخرین رویکرد محدود کردن فرآیندهای نوری[5] است که در آن ما به یکی از حوزه‌های نانوشیمی یا "تغییر فاز به وسیله نور"[6] وارد می‌شویم.

nano photonic

این رویکرد روش‌هایی را برای نانوساخت[7] ساختارهای فوتونیکی و واحدهای کارکردی فراهم می‌کند. حال نگاهی به محدود ساختن نانومقیاس تشعشع‌ها خواهیم انداخت.

چند راه وجود دارد که می‌توان به وسیله آن‌ها نور را به ابعاد نانومقیاس محدود کرد. یکی از آن‌ها پراکنش نوری میدان- نزدیک است که به عنوان مثال می‌توان از متمرکز کردن نور توسط یک فیبر نوری باریک و با پوشش فلزی به جایی که در آن نور از یک نقطه و در فضایی به مراتب کوچکتر از طول موج نور ساطع می‌شود، نام برد.

محدود ساختن نانومقیاس ماده به منظور ساختن نانومواد برای فوتونیک شامل راه‌های متفاوتی از محدود سازی ابعاد ماده برای تولید نانوساختارهاست. به طور مثال می‌توان از نانوذراتی استفاده کرد که خواص الکترونیکی و فوتونیکی منحصر به فرد داشته باشند. دانستن این نکته خشنودکننده است که نانوذرات هم اکنون نیز برای کاربردهای متفاوتی از نانوفوتونیک مانند جذب اشعه ماوراء بنفش در کرم‌ها و محلول‌های ضد آفتاب استفاده می‌شوند.

نانوذرات را می‌توان هم از مواد آلی و هم از مواد غیر آلی ساخت. نانومرها[8] ]در برابر پلیمرها[ که چندپارهایی[9] (تعداد اندکی از واحدهای تکراری) با اندازه‌های نانومتری هستند و ساختارهای نانومری دارند، مشابه‌های آلی نانوذرات هستند.

در مقابل، پلیمرها ساختارهای زنجیری شکل و طولانی هستند که از تعداد زیادی واحد تکراری تشکیل شده‌اند که خواص نوری وابسته به اندازه نانومرها را دارند. نانوذرات فلزی پاسخ‌های نوری منحصر به فردی بروز می‌دهند و کمک‌های فراوانی به حوزه الکترومغناطیس می‌کنند و قلمرو پلاسمونیک‌ را شکل می‌دهند. نانوذراتی وجود دارند که با رویکرد ساخت بالا به پایین روی دو فوتون (ذره بنیادی نور) جذب شده مادون قرمز، فوتونی را در ناحیۀ ماوراء بنفش پدید می‌آورند و بالعکس، نانوذراتی وجود دارند که برنده‌های کوانتومی[10] خوانده شده و با رویکرد پایین به بالا، یک فوتون جذب شده ماوراء بنفش را به دو فوتون در ناحیۀ مرئی تبدیل می‌کند.

یک حوزه جذاب از نانومواد، فوتونیک شفاف[11] است که به وجود آورنده ساختارهای عایق متناوب با تکرار واحد، با نظمی شبیه نظم طول موج نور است.

نانوکامپوزیت‌ها شامل نانوناحیه‌‌هایی[12] از دو یا چند ماده غیر مشابه می‌شوند که در اندازه و قطع نانومتری، طبقات جداگانه‌ای داشته باشند.

هر نانوناحیه‌ای در نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند صاحب خاصیت نوری خاص باشد. جریان انرژی نوری که به وسیله انتقال انرژی (ارتباطات نوری) بین ناحیه‌ها خلق می‌شود، قابل کنترل نیز هست.

فرآیند نوری نانومقیاس می‌تواند در نانولیتوگرافی برای ساخت نانوساختارهایی به کار گرفته شود که برای به وجود آوردن حسگرها و محرک‌های نانومقیاس استفاده می‌شوند. حافظه نوری نانومقیاس نیز یکی از مباحث و موضوعات هیجان انگیز نانوساخت است. یکی از خواص مهم نانوساخت این است که فرآیند نوری می‌تواند به منطقه‌های نانوئی دقیق محدود شود و به این وسیله ساختارهایی با هندسه و آرایش فرادقیق ساخته شود.

 

تحصیل، آموزش و تحقیقات چند رشته‌ای

ما در جهانی پیچیده زندگی می‌کنیم که در آن پیشرفت‌های انقلابی در زمینه ارتباطات، حافظه‌ی کامپیوتری و پردازش داده، رخ داده است و این پیشرفت‌ها هر روز نیز ادامه می‌یابد.

امروزه، نیاز فزاینده به فناوری‌های نوینی وجود دارد که بیماری‌ها را به سرعت و در مراحل اولیه و پیش از اولیه تشخیص دهند. از آنجا که ما به این پیشرفت‌ها خو گرفته‌ایم، انتظاراتمان به سوی فناوری‌های فشرده، با بهره‌وری بالا از انرژی، با پاسخ دهی سریع و ایمنی برای محیط زیست می‌رود. فناوری با محوریت فوتونیک که با فناوری‌نانو نیز ترکیب شده است می‌تواند به بسیاری از این چالش‌ها پاسخ بدهد.

در حوزه پزشکی، مدل‌های جدیدی از تشخیص دهنده‌های فوتونیکی بیماری که غیرمخرب و بر اساس کارکردهای مولکولی باشند، می‌توانند بیماری‌هایی چون سرطان را در مراحل اولیه، پیش از اولیه و آغازین شناسایی کنند و بدین وسیله جهشی را در این حوزه پدید بیاورند.

نانوپزشکی که با شیوه‌های فعال و هدایت شده توسط نور آمیخته شده است، به پیشرفت شیوه‌های درمانی مولکول به مولکول که حداقل اثرات جانبی را دارند، خواهد انجامید.

دهه‌های اخیر شاهد جهش‌های فناورانه‌ای بوده‌اند که به وسیله اختلاط رشته‌های متفاوت به وجود آمده‌اند و این روند با رسیدن هزاره سوم بسیار تسریع شده است.

نانوفوتونیک، در صورتی که با دیدی وسیع به آن نگریسته شود، فرصت‌هایی را برای تعامل و آمیختگی‌ بین رشته‌هایی از علوم، فناوری و پزشکی فراهم می‌کند که به طور سنتی از یکدیگر جدا هستند.

همان‌گونه که بیشتر در مورد آن صحبت خواهد شد، نانوفوتونیک حوزه‌ای میان رشته‌ای است که فیزیک، شیمی، علوم کاربردی و مهندسی، زیست شناسی و فناوری زیست پزشکی را چون بسیاری دیگر رشته‌ها در بر خواهد گرفت.

یک جبهه چند رشته‌ای کامل در فراسوی نگاه وسیع به نانوفوتونیک در حال محقق شدن است. این چالش‌ها نیاز به افزایشی قابل توجه در تعداد محققان دانشی و کارکنان آموزش دیده در این حوزه پدید می‌آورندکه می‌تواند با فراهم آوردن آموزش چند رشته‌ای برای نسل آینده محققان، چه در مقطع لیسانس و چه بعد از آن در سراسر جهان، برطرف شود.

شناخته شدن این نیاز در سراسر جهان را می‌توان از تعداد فزاینده سمینارها و کارگاه‌های در این‌باره و دوره‌های تحصیلی در مقاطع مختلف که مؤسسات و دانشگاه‌های مختلف برگزار می‌کنند و یا در اندیشه برگزاری آن‌ها هستند، دریافت.

فرصت‌هایی برای تحقیقات پایه‌ای و توسعه‌ای فناوری‌های نوین

نانوفوتونیک، تعدادی از حوزه‌های محوری فناوری‌های جدی چون لیزرها، فوتونیک‌، فوتوولتائیک‌[13]، فناوری‌نانو و زیست فناوری را به هم پیوند می‌دهد. هر کدام از این فناوری‌ها یا هم اکنون چیزی بیش از سالی 100 میلیارد دلار سود حاصل از فروش داشته و یا این پتانسیل را به راحتی در خود دارند.

 نانوفوتونیک همچنین فرصت‌های متعددی برای تحقیقات بین رشته‌ای به وجود آورده است. در انتها به معرفی طبقه‌بندی شده این فرصت‌ها برای محققان و دانشمندان هر رشته پرداخته‌ایم:

 

شیمی‌دان‌ها و مهندسین شیمی

-          کانال‌های متشکل و ترکیب شده جدید از مواد مختلف و پردازش نانومواد

-          انواع جدیدی از نانوساختارهای مولکولی و مجموعه‌های فوق مولکولی با شیوه‌های مختلف طراحی نانویی

 

-          نانوساختارهای متناوب و غیرمتناوب خودسامان برای دست یافتن به کارکردهای چندگانه و تأثیرات آنها بر یکدیگر

-          شیمی برای اصلاح سطوح برای تولید الگوهای نانویی

-          سنتز تک – محفظه‌ای[14] که احتیاج به مخزن واکنش تغییرکننده نداشته باشد.

-          تولید مقیاس پذیر برای ساخت اقتصادی و تولید انبوه

 

فیزیک‌دان‌ها

-          الکترودینامیک کوانتومی برای مطالعه پدیده‌های نوری نوین در نانوحفره‌ها[15]

-          منشاء تک فوتونی برای پردازش اطلاعات کوانتومی

-          پردازش نوری غیر خطی نانومقیاس

-          کنترل نانویی برهم‌کنش‌های بین الکترون‌ها، فوتون‌ها و فونون‌ها[16]

-          مطالعات طیف‌بندی و زمان‌بندی شده مجموعه نیروهای محرک با میدان دید نانوئی

 

مهندسین تجهیزات

-          نانولیتوگرافی برای نانوساخت افشاننده‌های نور، تشخیص دهنده‌ها ومتصل کننده‌ها

-          پیوند دادن نانومقیاس افشاننده‌های نور، مجاری انتقال، پردازنده‌های علائم و تشخیص دهنده‌هایی که با مولدهای نیرو ترکیب شده‌اند.

-          مدارهای شفاف فوتونیک ودستگاه‌های مبتنی بر میکرو حفره‌ها

-          ترکیب فوتونیک‌ شفاف و پلاسمونیک‌ برای تسهیل کارکردهای نوری خطی و غیرخطی مختلف

 

-          نقاط کوانتومی و لیزرهای سیم‌های کوانتومی

-          صفحات دریافت انرژی خورشیدی سبک، پهن‌باند و فرا بهره‌ور که به صورت طومار قابل جمع‌آوری و بسته‌بندی باشند.

-          برنده‌های کوانتومی برای جدا کردن فوتون‌های ماوراءبنفش مکنده به دو فوتون قابل دیدن برای استفاده در نسل جدید نور افشان‌ها و لامپ‌های فلورسنت

 

زیست‌شناسان

-          دستکاری ژنتیکی مواد زیستی برای فوتونیک‌ها

-          راهکارهای زیست شناختی برای هدایت توسعه مواد فوتونیکی مهم از زیست[17]

-          کلوییدهای زیستی و الگوهای زیستی برای ساختارهای فوتونیکی

-           سنتز باکتریایی مواد فوتونیکی

 

محققان زیست پزشکی

-          نانو میله‌های نوری جدید برای عیب‌یابی و تشخیص دهنده‌های بیماری

-          درمان‌های هدف‌گیری شده با استفاده از نانوپزشکی هدایت شده توسط نور

-          مدل‌های جدید برای روش‌های درمانی فعال شده توسط نور با استفاده از نانوذرات

-          فناوری‌نانو برای زیست حسگرها

 

www.nano.ir


کلمات کلیدی: