دریافت جهان از طریق مهندسی ابعاد نانو
با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی ارشد من مهندسی سیستم ها و اتوماسیون کارخانه است، و حوزه تخصص من بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری، و اجرا و پیاده سازی تولید فرآورده های نوین[۱] می‌‌باشد.
در این سلسله از مقالات[۲] و فایل های صوتی[۳]، کوشش می کنم که علم نانو[۴] و فن آوری نانو[۵] را (به زبان فارسی) از پایه، بنحوی سیستماتیک[۶] به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم[۷].
در واقع این مقالات، فصل های کتاب جدیدی با همین نام (سفر به ریزها[۸]) هستند که سالهاست بر روی آن کار می کنم و در دست تهیه است، و تصمیم گرفته ام که پیشاپیش آن را، فصل به فصل، بطوری مجازی منتشر کنم.
از پژوهشگران و اندیشمندان عزیز خواهشمندم که لینک ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم و فن آوری نانو – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند. با احترام، ر. رخشانی
دریافت جهان از طریق مهندسی ابعاد نانو[۹]
در فصل گذشته بسیار در مورد پردازش اطلاعات[۱۰] نوشته شد و اشاره داشتم که چگونه از صنعت الکترونیک و صنعت نانو الکترونیک یا الکترونیک ابعاد نانو[۱۱] یاری گرفته است[۱۲]. همچنین، در آن فصل در مورد تراگسیل اطلاعات به یاری لیزرها اشاره داشتم.[۱۳] لیزرهایی که بنیان شان بر اساس موادی در مقیاس نانو، از قبیل چاه های کوانتومی[۱۴]، هستند . پرسش این است که ما چگونه چنین اطلاعاتی را از جهان پیرامون جمع آوری می کنیم؟ یا اینکه اطلاعات ما در مورد دنیا، از چه سرچشمه هایی می آید؟ نور منبع اطلاعاتی ای باورنکردنی را پیرامون دنیای فیزیکی ما فراهم می کند. مسلماً چشمان ما، بیش از هرچیز دیگری، اطلاعاتی بی نهایت زیاد را در مورد دنیا فراهم می کند[۱۵]. برای دریافت جهان و انتقال چنین میزانی از اطلاعات، ما نیاز به تبدیل چنین اطلاعاتی به زبان دیجیتال داریم، تا بتوانیم آن را به تصویرپردازهای درون کامپیوترهای خود منتقل کنیم، و از آن طریق بتوانیم آن اطلاعات را به همان لوله های ارتباطی-اطلاعاتی[۱۶] و یا به همان فیبرهای شیشه ای منتقل کنیم. برای چنین کاری، ما نیاز به ابزاری شبیه به چشمان خود و حس بینایی خود داریم. چنین نیازی ما را به دنیای کنونی تصویریاب های دیجیتال[۱۷] رهنمون می سازد.
در فصل های گذشته پیرامون چگونگی بوجود آوردن نور، و تبدیل نیرو و اطلاعات الکترونیکی و انتقال آن به حوزه فتونیک نوشته شد.[۱۸] در این فصل، من به فرآیند معکوس چنین پدیده ای می پردازم. این بدین مفهوم است که ما چگونه می توانیم اطلاعات بصری دنیای پیرامون خود را ترارسانی[۱۹] کرده و به حوزه الکترونیک انتقال دهیم و تبدیل کنیم[۲۰]، تا نتیجتا بتوانیم آن اطلاعات را پردازش کرده[۲۱] و زمینه های ارتباطات نوری را بوجود بیاوریم.[۲۲] نگاهی به کارکرد دوربین های دیجیتال مدرن نشان می دهد که آنها، هم امروز، تا حدود زیادی چنین فرآیندی را امکانپذیر ساخته اند .[۲۳]هم آنهایی که در درون تلفن های همراه ما هستند، همچنین دوربین های بزرگ تر، که برای کارهای حرفه ای به کار گرفته می شوند. باری، اطلاعات کسب شده از طریق چنین دوربین هایی، مانند نوک کوه های یخ شناور هستند و بخش اعظمی از اطلاعات را که می توان از طریق نور، از دنیای پیرامون، دریافت کرد را در خود جای نمی دهند.
در حقیقت، در طول موج هایی که ما با چشمان خود قادر به دیدن آنها نیستیم، اطلاعات بسیاری نهفته است که می توان به آنها دست یافت[۲۴]. در واقع هر ماده و هر ترکیب شیمیایی رنگ ویژه خود را در طیف نوری دارد، که می توان آن را همچون رد پای آن ماده یا ترکیب شیمیایی دانست[۲۵]. دانشمندان علمی امروزه قادرند، که از مسافتی چند کیلومتری، به دودی که از دودکشی بیرون می آید، نگاه بیفکنند، تحقیق و مطالعه کنند، و از طریق رنگی که آن دود جذب یا منعکس کرده و یا به برون می فرستد ( هنگامیکه با نوری تهییج می شود،) ماده ی متصاعد شده را شناسایی کنند.[۲۶]
این یعنی اینکه ما امروزه، با روش‌های علمی و ابزارهای فنی[۲۷]، قادر هستیم که از فواصل بسیار دور ماده متصاعد شده ای را شناسایی کرده و بدانیم که آیا برای محیط زیست آلاینده است، و یا اینکه ماده ای خنثی می باشد.
ما امروزه می توانیم با استفاده از سایه رنگ های فرابنفش، نشانه های نخستین سرطان پوست را شناسایی کنیم[۲۸]. همه این توانایی ها با استفاده از طول موج هایی هستند که چشمان من و شما نمی بینند [۲۹].اما امروزه ما شانس آن را داریم، تا با استفاده از پیشرفت هایی علمی و ابزارهایی فنی، که در حوزه مهندسی مواد و به ویژه مهندسی مواد نانویی اتفاق افتاده اند، بتوانیم از طریق طیف نمایی[۳۰]، تصاویری را در طیف های رنگی متفاوتی (که چشمان ما نمی بینند،) ببینیم[۳۱]. به مفهومی دیگر، ما توانسته ایم که ظرفیت حس بینایی خود را، از طریق ابزارهای سخت افزاری تصویر بردار و همچنین موادی تصویریاب[۳۲]، افزایش دهیم.
دوربین های دیجیتال
شاید بهتر است که با دوربین های دیجیتال شروع کنم که ابزارهایی اند که به وفور در دسترس ما هستند، و جالب این است که کمی به گذشته نگاه کنیم و برای چند لحظه ای پیرامون دوربین هایی که فیلم در آنها جا می گرفت صحبت کنیم. ( البته به یاد داشته باشیم که آنها هم هر روزه مورد استفاده بودند و بمرور تبدیل به دوربین هایی دیجیتالی شدند.) جالب است که بدانید که فن آوری نانو در همان دوربین های قدیمی هم به کار گرفته می شد، البته به طور دقیق طراحی و مهندسی نشده بود .اما فیلم های نقره بنیانی[۳۳] که در آن دوربین ها مورد استفاده بودند، از ذراتی در مقیاس‌های ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتری استفاده می‌کردند که، در واقع مستقل از یکدیگر[۳۴]، نوعی واکنش فتوکاتالیزوری[۳۵] را در خود داشتند. چنین ذرات مقیاس نانو، که نمک هایی نقره بنیان[۳۶] بودند، به فوتون هایی که به آنها می رسیدند واکنش نشان می دادند و تبدیل به محلولی بر روی آن فیلم می شدند و می توانستند واکافتی بسیار بالا، یا واکافت فضایی ای بسیار دقیق[۳۷]، داشته باشند .عکس های زیبایی که از آن دوربین های قدیمی باقی مانده اند، در واقع، در نتیجه همان واکنش های فتوکاتالیزوری ابعاد نانوی ذرات، در درون فیلم ها،[۳۸] بودند[۳۹].
واکافت بالای تصویری[۴۰]، کماکان موضوع مورد توجه دانشمندان علمی در دوربین های دیجیتال، همان دوربین های سیلیکن بنیان، هم هستند و دانشمندان همواره در تلاش اند تا تعداد تصویرسازه ها[۴۱] را افزایش دهند .[۴۲]به نظر شگفت انگیز می رسد که ما چگونه چنین دوربین هایی را همواره با خود داریم. دوربین ها بسیار کوچک هستند و ما می توانیم آنها را به هر کجایی با خود ببریم، به آن دلیل که آنها در درون تلفن های همراه ما هستند . بسیاری از مزیت های آنها، از قبیل سادگی و قابل حمل بودن شان، بدلیل کوچک بودن آنهاست، و همچنین بخاطر توانایی همکنشگری مستقیم[۴۳] آنها و ارتباطشان با پردازش اطلاعات است [۴۴]: یعنی ارتباط با پردازشگر، یا به زبان ساده تر اینکه، آن دوربین ها در واقع با همان مدارهای یکپارچه الکترونیکی که در درون تلفن همراه ما هستند در ارتباط اند، و آن مدارها نیز مستقیماً با اینترنت در تماس می باشند[۴۵].
چنین ابزاری شامل نوعی عدسی نیز هست . عدسی، در همین ابزار کوچک، می بایست به اندازه ای مشخص از مدار یکپارچه ی مرتبط به ردیاب تصویری[۴۶]، فاصله داشته باشد تا بتواند تصاویر را بر روی چنین تصویریابی[۴۷] متمرکز سازد .[۴۸]در اساس، مدارهای یکپارچه میلیون ها تصویرسازه[۴۹] را از طریق ردیاب هایی تصویری، یعنی از ردیاب هایی نوری[۵۰]، دریافت کرده و به پردازش[۵۱] آنها مشغول می شوند[۵۲]. یکی از چالش های فنی، برای مناسب تر کردن[۵۳] بخش های کوچک و همفشرده نوری[۵۴] مورد استفاده در درون دوربین های تلفن های همراه، در این واقعیت است که که هر روزه این تلفن ها می بایست کوچک تر و نازک تر و فشرده تر شوند[۵۵]. در واقع یکی از نیروهای محرکه کلیدی[۵۶] در صنعت موبایل، همین فشار مستمر برای هرچه کوچک تر و کم ضخامت تر[۵۷] کردن، و ریزتر کردن این دستگاه ها، و همچنین آسان تر و بی دردسرتر کردن[۵۸] آنها می باشد. علاقه بسیار زیاد فنی[۵۹]، برای اینکه بتوانیم بخش های کوچک و همفشرده نوری نازک تری[۶۰] داشته باشیم، بخاطر محدودیت های ضخامتی برای ساختن تلفن های همراه امروزی می باشد[۶۱].
دانشمندان علمی و فن آوران نانو، با استفاده از موادی نانویی[۶۲]، قادر هستند تا ردیاب هایی تصویری با بخش های سازنده نوری کوچک و همفشرده نازک تر[۶۳] بسازند که با تلفن های همراه و محدودیت های ضخامتی-ساختی[۶۴] امروزی آنها سازگار[۶۵] باشند. تصویر زیر یکی از ردیاب های تصویری را نشان می دهد، که البته کمی بزرگتر از ردیاب های معمول در درون دوربین های دیجیتال حرفه ای امروزی می باشد.
هر ضلع چنین ردیابی تصویری تقریباً ۲ تا ۳ سانتیمتر می باشد، که البته برای مدارهای یکپارچه الکترونیکی امروزی بسیار بزرگ و پرهزینه است. در صنعت فتونیک، این ردیاب ها، مدارهای یکپارچه سی ماس ([۶۶]CMOS) نامیده می شوند[۶۷]، که مخففی برای فرآیندهای مبنایی[۶۸] می باشد که در سرتاسر صنعت الکترونیک سیلیکنی مورد استفاده هستند.[۶۹] این بدین مفهوم است که صنعت تولید ردیاب های تصویری قادر بوده است تا از فرآیندهای در دسترس، که در صنعت الکترونیک سیلیکنی[۷۰] مورد استفاده هستند، بهره بگیرد[۷۱]. در صنعت الکترونیک، اغلب ابزارهای نوری (یعنی فوتون ها،) برای عملیاتی که در درون پردازشگر کامپیوترها انجام می پذیرند، مورد استفاده نیستند[۷۲]. اما، در حقیقت صنعتگران نانو توانسته اند با برداشتن مجموعه ای از محدودیت های موجود در تولید مدارهای یکپارچه سیلیکنی، فرآیندها و منابع موجود[۷۳] در صنعت الکترونیک را، برای طراحی، مهندسی و تولید ردیاب هایی تصویری و نانو ابزارهایی نوری[۷۴]، مورد استفاده قرار دهند[۷۵]، که البته این خبری بسیار خوشآیند برای تولید دوربین های بسیار بسیار ارزان قیمت بوده است.[۷۶]
چالش های استفاده از سیلیکن
خوب چنین توانایی ای، صنعت تولید ردیاب های نوری را بر همان روند “قانون مور” قرار داده است .[۷۷] این بدان معنی است که فشاری مستمر برای هرچه کوچک تر کردن ابعاد قطعات و مدارهای یکپارچه الکترونیکی بوده، و همچنین فشاری برای هرچه ریزتر و فشرده تر کردن[۷۸] خود مدارهای یکپارچه الکترونیکی است .[۷۹] البته، این خبری خوشآیند برای جادادن میلیون ها تصویرسازه[۸۰] در مساحتی کوچک و مشخص می باشد، اما با کوچک تر و ریزتر کردن تصویرسازه ها[۸۱]، ما نیاز به نوعی مصالحه فنی یا سازش یا توافق بینابینی فنی[۸۲] نیز داریم. پایان داستان چنین است که هنگامیکه ما تصویرسازه ها را هرچه بیشتر ریز و کوچک تر می کنیم، در عین حال، احتمال برخورد فوتون هایی کمتر و کمتر را بدلیل کوچک تر بودن سطح تماس یا برخورد، بر روی هریک از آن تصویرسازه ها بوجود می آوریم.[۸۳] تصویر زیر برخورد فوتون ها بر روی سطح مقطع تصویرسازه هایی بزرگ، متوسط و کوچک را، نشان می دهد.
برای نمونه، اگر با دوربین موبایل خود عکسی گرفته و از آن راضی نبوده باشید، بویژه هنگامی که نور به اندازه کافی موجود نبوده باشد، شاید پیامد فشردگی بیش از اندازه ی همین تصویرسازه ها در درون موبایل شما بوده، که امکان برخورد فوتون ها را بر سطح مقطع هریک از آنها، به دلیل فشردگی تصویرسازه ها محدود کرده بوده باشد. مسلما، امکان دارد واکافت بالای تصویری[۸۴] عکس شما از چنین محدودیتی تاثیر پذیرفته باشد.
شاید بهتر باشد که کمی با تفصیل در مورد تصویرسازه ها صحبت کنم. در دو عکس بالا برخورد فوتون ها به تصویرسازه ها نشان داده شد[۸۵]. رویکرد معمولی در ردیاب های تصویری سیلیکن پایه چنین است که لایه زیرین آنها متشکل از ردیابی نوری سیلیکن بنیان می باشد. حالا، سیلیکن لزوماً و مشخصا ماده خوبی برای جذب نور نبوده و نیست و مسلماً سیلیکن، در این مورد مشخص، مقصر نبوده است.
این بدین مفهوم است که گزینش سیلیکن به عنوان یک ماده، لزوماً به خاطر خواص نوری آن نبود، بلکه این خواص بی نظیر الکترونیکی آن بود که پدیداری صنعت الکترونیک را به حول این ماده بوجود آورد. البته سیلیکن خاصیت جذب نور هم دارد، اگرچه در این زمینه کمی ضعیف عمل می کند. این یکی از نخستین چالش ها، در رویکردهای پیرامون ردیاب های تصویری موجود، می باشد که سیلیکن و تنها سیلیکن را برای کسب چنین کارکردهایی به خدمت گرفته است.
چالش دیگر را با نگاه به تصویر پایین می توان توضیح داد. در این تصویر و بالاتر از لایه سیلیکن، لایه های گوناگونی از مواد را می‌بینیم که انباشت لایه های درهم پیوسته[۸۶] خوانده می شود. برای ساختن مدارهای یکپارچه الکترونیکی که شامل ردیاب هایی تصویری هم باشند، ما نیاز به سیم هایی ارتباطی داریم تا در واقع ترانزیستورهای ما را بهم وصل کنند، که در مبحث میکرو الکترونیک و نانو الکترونیک به آنها اشاره داشته ایم. در مورد ردیاب های تصویری، ما نیاز داریم تا قادر باشیم که تصویرسازه ها را به نحوی الکترونیک مشاهده کنیم، یا به دیگر سخن، قادر باشیم آنچه را که تصویرسازه ها در حوزه الکترونیک دیده اند، بخوانیم. در نتیجه، ما نیاز به سیم هایی ارتباطی داریم. خوب حالا، بدلیل اینکه ما این سیم ها را بر روی سیلیکن می سازیم، و سیلیکن هم بعنوان زیرلایه کارکرد دارد، در نتیجه خود سیم ها مانعی برای تصویریاب های نوری ما می شوند.
این چالش، در حوزه فتونیک، مشکل عامل پرکننده[۸۷] نامیده می شود[۸۸]، که در آن، مناطقی از تصویرسازه ها[۸۹] توسط سیم ها پر می شوند و در نتیجه روشنایی لازم و مورد نیاز ما، تیره و پنهان و ناهویدا[۹۰] می ماند. این همان مشکلی است که با ریزتر کردن تصویرسازه ها، ما را با عکس ها و تصاویر با کیفیت کم روبرو می کند. دقیقا در همین مورد مشخص است که فن آوری نانو به یاری ما می آید. همانگونه که در فصل پنجم کتاب “سفر به ریزها”، در مورد سیلیکن به عنوان ماده ای نوری نوشتم، یعنی ماده ای که می تواند نور را جذب و هدایت کند، پژوهش های اخیرتر نشان می دهند که ما می توانیم ردیاب هایی نوری[۹۱] بسازیم که می توانند اطلاعات حوزه فتونیک را به جریانی الکترونیکی ترارسانی[۹۲] کنند.[۹۳] چنین ردیاب های نوری از موادی نوین ساخته می شوند که لزوماً سیلیکن بنیان نیستند و اغلب از نقطه های کوانتومی برای ساختن آن ها استفاده می شود، که آنها را نقطه های کوانتومی کلوئیدی[۹۴]، یا نقطه های کوانتومی[۹۵] چسب ناک می نامند. این ذرات، ذراتی نیمه رسانا هستند که در محلولی هم نهشته شده اند. آنها آنچنان در محلول پخش و هم نهشته شده اند، که می توان آنها را مانند رنگ مایع، بر روی ویفر سیلیکن،[۹۶] بکار برد، یعنی لایه ای از فیلمی کوانتومی را بر سطح سیلیکن رنگ زد. عکس پایین کاربرد چنین رنگی را بر روی ویفر سیلیکن نشان می دهد.
همانگونه که در تصویر مدار یکپارچه ی نانویی زیر نشان داده می شود، ما از طریق ساختن چنین فیلمی، توانایی جذب نور را، نزدیک تر به منبع نور و با بکارگیری نقطه های کوانتومی کلوئیدی، بوجود آورده ایم .بدین ترتیب، دیگر لزومی به گذر دادن نور از لایه هایی متفاوت، شامل مانعی سیمی، نیستیم و تصویریاب نوری ما نزدیک تر به محل برخورد نور و منبع نور آن شده، و نور نیز براحتی با گذار از منفذی، می تواند در زیرلایه سیلیکنی جذب شود.[۹۷] خوب، این نخستین امتیاز استفاده از موادی نانویی[۹۸] برای برطرف کردن مشکل فاکتور یا عامل پرکننده[۹۹] می باشد.
چالش دومی را که چنین رویکردی برطرف می کند در این است که سیلیکن هرگز به عنوان ماده ای برای جذب نور مهندسی نشده بود، و در عین حال با این نقطه های کوانتومی، ما توانسته ایم ماده ای بسیار قوی و جاذب نور را مهندسی کنیم. حالا، ما می توانیم که لایه بسیار بسیار نازکی را با این نقطه های کوانتومی بسازیم، که تقریباً می توان گفت شبیه گذاشتن نوعی فیلم عکاسی بر روی ردیاب تصویری سی ماس CMOS می باشد، و حالا ما توانایی آن را داریم که تصاویر را کمی بالاتر دریافت کرده، و بر روی لایه زیرین سیلیکن خوانده و بسازیم.[۱۰۰]
به مفهومی، این بازگشت به استفاده از سیلیکن برای کارکردهای الکترونیک می باشد، یعنی برای کارکردهایی که در ابتدا برای آنها طراحی شده بود. این یعنی اینکه ما قادر شده ایم تا با استفاده از موادی نانویی، طبقه بالایی بر روی لایه زیرین سیلیکن بسازیم تا به عنوان ردیاب، نور را دریافت کرده و آن را به سیلیکن انتقال دهد. در عین حال، این رویکرد ما، نمایشگر بالاترین فرصت ها در ابزارسازی سخت افزاری نهفته در فن آوری نانو می باشد.[۱۰۱] چنین فرصت هایی نهفته[۱۰۲]، تنها پیرامون محصولاتی انقلابی[۱۰۳] که دوران ساز[۱۰۴] هستند و با نسل های پیشین ارتباطی ندارند، خلاصه نمی شوند، بلکه همچنین در مورد گذر کردن و فراتر رفتن از محدودیت هایی سخت افزاری هستند که فن آوری های میکرو الکترونیکی و پیش تر، با آنها مواجه بودند .دیگر اینکه، چنین رویکردی سخت افزاری، ادامه بکارگیری خواص بسیار جذاب سیلیکن و الکترونیک سیلیکنی بوده، و در عین حال، بمفهوم افزودن[۱۰۵] مشخصات یا خصوصیات ممیزه[۱۰۶] موادی نانویی، به آن رویکرد سخت افزاری بوده است.[۱۰۷]
خاصیت سودمند ویژه دیگری پیرامون نقطه های کوانتومی، که به تصویریابی ارتباطی مستقیم پیدا می کند، در تصویر زیر به نمایش گذاشته شده است. ظروف زیر حاوی نقطه های کوانتومی بوده، رنگ هایی متفاوت را نشان می دهند.
نقطه های کوانتومی می توانند به اندازه های گوناگون هم نهشته[۱۰۸] شوند، و هنگامی که ما آنها را در اندازه های متفاوت هم نهشته می کنیم[۱۰۹]، طیف طول موج های نوری ای گوناگون را جذب کرده یا برون فرستی می کنند و در نتیجه رنگ های متفاوت و گوناگونی را در طیف نورهای قابل رویت به نمایش می گذارند.[۱۱۰] در عکس بالا ظروفی را که حاوی نقطه های کوآنتومی هستند مشاهده می‌کنیم، و آنچه ما در واقع می بینیم ذراتی نیمه رسانا هستند که از نظر ترکیب شیمیایی کاملاً مشابه اند.[۱۱۱] این بدان معنی است که اتم های آنها، یعنی عناصری که این ذرات را می سازند در همه موارد یکسان هستند، اما رنگ هایی را که آنها جذب کرده و یا برون فرستی می کنند بسیار گوناگون و متفاوت هستند و در برگیرنده تمامی طیف نور قابل رویت می باشند، بسته به اینکه به کدام یک از ظروف بالا می نگریم.[۱۱۲]
خوب، این چگونه است؟ در واقع، مکانیسمی که باعث وقوع چنین پدیده ای می‌شود تاثیر کوانتوم مقداری[۱۱۳] نامیده می‌شود[۱۱۴]، که در فصل های پیشین به آن اشاره داشتم. هنگامیکه ما موجی الکترون را به اندازه ای کوچکتر از طول موج خودش فشرده می کنیم (یا می فشریم،) ما سطح انرژی آن را افزایش داده و برون فرستی آن را به سویه آبی رنگ نور قابل رویت، سوق می دهیم. بدیل دیگر آنکه، اگر ما موج الکترونی را چندان فشرده یا چگالیده نکنیم، سطح انرژی آن را آنچنان بالا نمی بریم. خوب در این مورد، با سطح انرژی پایین تری روبرو هستیم و در نتیجه فوتون هایی با انرژی کمتر را جذب می کنیم و برون فرستی موج الکترونی[۱۱۵] را به سویه سرخ رنگ نور قابل رویت، سوق می دهیم.[۱۱۶] تصویر پایین رنگ های گوناگون موج الکترونی را بر اساس اندازه ذره نانویی آن نشان می دهد .
فراسوی نور قابل رویت
مفهوم چنین پدیده ای در چند مورد مشخص بسیار سودمند است . پیشتر اشاره داشتم که چشمان ما آنچنان تکامل یافته اند که برای دیدن نور قابل رویت بسیار کارا هستند[۱۱۷] و به تعبیری دوربین های دیجیتال ما نیز نور را آنچنان می بینند . این اغلب بدین دلیل است که طول موج سیلیکن مورد استفاده در دوربین ها، یعنی طیف طول موجی مورد استفاده سیلیکن، در مناطقی که می تواند برای جذب نور بسیار کارا باشد، در بیشتر موارد، با مناطق طول موج های نور قابل رویت در طیف نوری همخوانی دارد . شاید بهتر باشد که به نمونه هایی از طول موج هایی دیگر اشاره داشته باشم که با استفاده از آنها، ما می توانیم بهتر از طول موج های نور قابل رویت به تصاویر پدیده ها نگاه کنیم و دقیق تر ببینیم .
تصویر پایین، آتش سوزی در جنگلی را نشان می دهد و در سمت راست تصویر آنچه را ما با چشم خود و یا با استفاده از ردیاب های تصویری معمولی[۱۱۸]، می‌بینیم که بیشتر دود را نشان می دهد. چنین تصویری، اطلاعاتی دقیق در مورد نقطه اصلی آتش نمی دهد تا مأموران آتش نشانی بتوانند با استفاده از آن اطلاعات، برنامه ریزی ای برای اطفای حریق کنند. در سمت چپ، همان تصویر با استفاده از طول موج های فروسرخ (مادون قرمز) نشان داده شده است. در نتیجه درهم کنش های گوناگون طول موج هایی متفاوت از طیف الکترومغناطیسی با ذراتی که در درون دود هستند، ما توانایی آن را می یابیم که از میان دود، نقطه اصلی آتش را ببینیم و اطلاعاتی بسیار دقیق تر برای اطفای حریق داشته باشیم.[۱۱۹]
عکس پایین، مثال دیگری ست که در مه گرفته شده و شهر اوکلند[۱۲۰] را از روی پل معروف خلیج سانفرانسیسکو[۱۲۱] نشان می دهد.
در سمت چپ تصویر، نمایی معمولی در روزی مه آلود را می بینیم که در واقع چیزی آشکار و شفاف دیده نمی شود، اما در سمت راست، با استفاده از دوربین فروسرخ[۱۲۲] ما توانایی آن را داریم تا فراتر از خصیصه جذب و پخش شدگی مه[۱۲۳]، شهر اوکلند را شفاف تر ببینیم.[۱۲۴] ارتباط آنچه نوشته شد با نقطه های کوانتومی چنین است که، این ذرات نانویی نقطه های کوانتومی تنها محدود به تنظیم شوندگی درطیف نور قابل رویت[۱۲۵] (قرمز آنچنان که در ظروف بالا نشان داده شد،) نیستند. گستره طیفی نقطه های کوانتومی[۱۲۶]، به طول موج هایی دیگر که تاکنون در دوربین های سیلیکن بنیان کم هزینه[۱۲۷] استفاده نشده است نیز ، می تواند افزایش یا کاهش یابد. البته این را هم اشاره کنم که تصاویر فروسرخ بالا، با استفاده از دوربین هایی گرانبهاتر گرفته شده، که از نیمه رساناهایی ترکیبی (از قبیل آرسنید گالیوم[۱۲۸] که در مبحث لیزرها اشاره داشتم) ساخته شده بودند.
دوربین هایی که مجهز به فن آوری های متکی بر نیمه رسانه های ترکیبی می باشند، قادر هستند که چنین طول موج هایی را ببینند، که دوربین های کم هزینه تری که از الکترونیک سیلیکنی استفاده می کنند، چنین توانایی ای را ندارند. شیوه استفاده از نقطه های کوانتومی در دوربین هایی که فن آوری مناسب را برای مصرف کننده[۱۲۹] داشته اند و کم هزینه نیز بوده اند[۱۳۰]، چنین است که لایه ای از موادی نانویی را بر روی سیلیکن، یعنی بر روی بخش سازنده[۱۳۱] چنین دوربین هایی، رنگ زده و توانایی آنها را برای دیدن رنگ های دیگر افزون تر[۱۳۲] می کند.[۱۳۳]
نکته مهم دیگر اینکه خواص مواد بر اساس اطلاعات طیفی آن ها قابل تمایز و تشخیص هستند.[۱۳۴] عکس پایین (در قسمت چپ،) که با دوربینی معمولی گرفته شده است، شخصی را نشان می دهد و هیچ چیز شک یا گمان برانگیزی[۱۳۵] در خود ندارد. در قسمت راست تصویر پایین، می توانیم موهای صورت آن شخص که واقعی هستند را از موهای ساختگی و یا مصنوعی[۱۳۶] وی متمایز کنیم. یعنی ما امروزه قادریم که با ابزارهایی سخت افزاری، طبقات گوناگون مواد زیست شناختی را از مواد مصنوعی، با استفاده از خواص بازتابی یا انعکاسی طیف نوری[۱۳۷] متفاوت آن مواد متمایز[۱۳۸] کنیم.[۱۳۹]
هنگامی که ما قادریم با روش های علمی و ابزارهای فنی سخت افزاری فراتر از رنگ ها را ببینیم، حتی می توانیم فن آوری های ردیاب گلوله بسازیم. تصویر پایین صحنه شلیک گلوله ای را نشان می دهد و از آنجا که گلوله، هنگام عبور از هوا[۱۴۰] بسیار داغ است، علامت و نشانه مشخصه گرمایی[۱۴۱] خود را دارد. ما می توانیم، با استفاده از دوربین های فروسرخ، علامت مشخصه گرمایی گلوله را واکافت[۱۴۲] کنیم که با دوربین های دیجیتالی معمولی عملی نیست. در نتیجه، ما می توانیم از چنین صحنه ای عکسبرداری کرده و نه تنها بدانیم که گلوله به کجا برخورد می کند، بلکه دقیقاً نقطه یا سرچشمه شلیک گلوله را ردیابی کنیم. امروزه این توانایی برای کاربردهای اجرایی قوانین[۱۴۳] و همچنین کاربردهای نظامی[۱۴۴] بسیار سودمند شمرده می شود.
دیدن رنگ در ردیاب های تصویری دیجیتال[۱۴۵]
حالا، این سوال ممکن است برای ما پیش آمده باشد که در ردیاب های تصویری دیجیتال[۱۴۶] امروزی، رنگ ها چگونه دیده می شوند. پاسخ اینکه، در حال حاضر، ما ردیف کوچکی از فیلترهای نوری را به کار می گیریم. برای مثال، ممکن است که چرخی نوری[۱۴۷] را از فیلترهای سرخ، سبز و آبی را در نظر بگیرید، که رنگ هایی همسان[۱۴۸] را از پشت منبع نوری سفیدرنگی [۱۴۹] تراگسیل می کند.
حساسیت تکامل یافته چشم ما[۱۵۰]، بر اساس دریافتگرهایی است که به رنگ های سرخ، سبز و آبی ارسالی از چنین چرخی نوری، تنظیم یافته[۱۵۱] است. بهمین ترتیب، برای ساختن دوربینی دیجیتال که توانایی تصویرهایی رنگی دارد[۱۵۲]، ما ردیفی از تصویرسازه هایی سیلیکنی[۱۵۳] را گرفته، و شبکه کوچکی از فیلترهای سرخ و سبز و آبی را بر روی آنها می پوشانیم.[۱۵۴]
چنین رویکردی کار می کند و بسیار هم موثر[۱۵۵] است، اما در این روش میزان بسیار زیادی از نور بهدر می رود. یعنی در این روش، آن شبکه کوچک فیلتری، تنها به فوتونی با رنگی مشخص اجازه عبور می دهد (برای نمونه فیلتری سرخ به رنگ سرخ اجازه می دهد،) و دو دیگر فوتون با رنگ های آبی و سبز را مانع می شود.[۱۵۶] اشکال اصلی چنین رویکرد در آن است که ما تعداد فوتون هایی که امکان برخورد بر تصویرسازه های درون ردیاب های نوری[۱۵۷] را دارند، کاهش می دهیم. در فیزیک نوری این رویکرد، رویکرد رنگ جایگاهی[۱۵۸] نامیده می شود، که در آن رنگ دیده می شود، اما اطلاعات بسیاری در آن فرآیند بهدر می رود، و هنگامیکه نور به اندازه کافی نباشد، مشکلاتی عدیده به وجود می آید.[۱۵۹]
نقطه های کوانتومی و مواد نانویی به دلیل کیفیت و پهنای طیف تنظیم شونده شان[۱۶۰] و همچنین دقیق بودن شان، ما را قادر می سازند تا رویکرد دیگری که تصویرسازه های برهم انباشته[۱۶۱] نامیده می شود را برای تصویریابی دیجیتال[۱۶۲] به کار بگیریم.[۱۶۳] در این رویکرد، به جای استفاده از شبکه ای فیلتری که به رنگی اجازه عبور می دهد، اما میزان زیادی نور به هدر می رود، ما قادر هستیم که با استفاده از لایه های تصویرسازه های برهم انباشته، در لایه بالایی طول موج های کوتاه تر، یعنی رنگ آبی با فوتون هایی با انرژی بیشتر را، ردیابی کنیم. سپس رنگ سبز را در لایه بعد و سپس رنگ قرمز را در لایه زیرین ردیابی می کنیم. این رویکرد نوعی فیلتر کردن لایه به لایه می باشد و به جای قربانی کردن و بهدر دادن نور و فوتون ها، بهترین استفاده از فوتون های در دسترس را خواهیم داشت.
فرآوری یا تولید چند انگیزشی[۱۶۴]
مواد نانویی اخیراً پدیده هیجان انگیز دیگری را بوجود آورده اند، که تاکنون حوزه کار شیمیدان ها و قلمروی کارشناسی فیزیکدان ها بود. این مواد، پژوهشگران را قادر ساخته اند تا برای ساختن تصویریاب هایی بهتر و ردیاب هایی حساس تر، از مفهومی که فرآوری یا تولید چند انگیزشی[۱۶۵] نامیده می شود، استفاده کنند. اینجا کمی نیاز به توضیح در مورد مفهوم چند انگیزشی دارم که چگونه به ما توانایی آن را داده تا ردیاب هایی حساس تر بسازیم.[۱۶۶]
فرآوری یا تولید چند انگیزشی استناد به این دارد که معمولاً در ردیابی فوتون ها ما با نسبت یک به یک روبرو هستیم، بدین مفهوم که اغلب تک فوتونی وارد ردیاب می‌شود و ما به اندازه یک الکترون اطلاعات دریافت می کنیم.[۱۶۷]
در ردیاب های تصویری[۱۶۸]، امروزه ما اغلب با شرایطی که نوری بسیار بسیار کم در دسترس است روبرو هستیم. در واقع، در مواردی حتی ما تنها اغلب با چند ذره نور روبرو هستیم که بر هر تصویرسازه[۱۶۹] برخورد دارند. در چنین مواردی، بسیار چالش برانگیز است که، با در دست داشتن تنها چند الکترون، اطلاعات را کامل دریافت یا تراگسیل کنیم و در نتیجه نیاز به مدارهایی بسیار بسیار حساس[۱۷۰] خواهیم داشت. خوب، پرسش این است که اگر بتوانیم با هر تک فوتونی، موجب انگیزش چند الکترون شویم، آنگاه می توانیم اطلاعات بیشتری را منتقل کرده و بار روی مدار را کاهش دهیم.
دانشمندان علم نانو و فن آوران نانو در دهه اخیر، با مطالعه نقطه های کوانتومی کلوئیدی[۱۷۱]، پدیده ای را که فرآوری یا تولید چند انگیزشی[۱۷۲] نامیده می شود، پدید آورده اند که در آن فوتونی وارد ردیاب شده، و در درون مواد نه تنها یک الکترون، بلکه چندین الکترون تولید می کند.[۱۷۳] البته این خود فرآیندی چند مرحله ای می باشد. در مرحله نخست، نور وارد شده و تنها موجب انگیزش تک الکترونی می گردد، اما نوعی تقویت دامنه ای پی درپی[۱۷۴] را بوجود می آورد. برای نمونه تشبیهی، مانند توپ بیلیاردی که با چند توپ بیلیارد دیگر برخورد می کند، فوتون ما نیز موجب انگیزش نه یک تک الکترون، بلکه چند الکترون می شود.
برای حفظ انرژی در چنین پدیده ای، فوتون اولیه می بایست انرژی بالایی داشته باشد تا موجب انگیزش پی درپی الکترون هایی با انرژی پایین تر شود، و البته در نهایت ما به هدف چندگانگی مورد نظر می رسیم، زیرا که با یک تک فوتون انرژی بالا، می توانیم چندین الکترون با انرژی پایین تر را تولید نماییم.[۱۷۵]
تا حدود یک دهه پیش، پژوهشگران نانو، تنها به فرآوری یا تولید چند انگیزشی[۱۷۶] به عنوان پدیده ای که در درون ساختارهای کارآی نقطه های کوانتومی[۱۷۷] اتفاق می افتد، می نگریستند، یعنی به عنوان پدیده ای که احتمال درهم کنش های ذرات[۱۷۸] را افزایش می داد و تا آن زمان ابزاری بر اساس این پدیده نساخته بودند. باری، در سال ۲۰۰۹ پژوهشگران نانو توانستند با استفاده از این پدیده، ابزاری بسازند که قادر باشد سیگنال های چند الکترونی را با استفاده از تک فوتونی دریافت کرده، و آن سیگنال ها را نیز اندازه گیری نمایند.[۱۷۹]
با استفاده از چنین ابزاری الکترونیک، دانشمندان توانستند که از مزایای تقویت دامنه استفاده نموده و قادر باشند ردیاب های تصویری حساس تری را نیز تولید کنند.
این ابزار الکترونیک، بویژه برای استفاده در طیف فرابنفش یا ماورای بنفش[۱۸۰] سودمند است زیرا که ما ، در آن طیف، با وفور فوتون هایی بسیار پر انرژی روبرو هستیم و عمدتاً به این دلیل که اشعه فرابنفش، طیفی طول موجی است که توانایی برانگیختن الکترون های بسیاری را در درون مواد دارد .
ردیاب های اشعه ایکسی[۱۸۱] هم نمونه متفاوتی از طیف نوری مهم دیگری برای فوتون هایی هستند که حوزه انرژی بسیار بسیار بالایی دارند[۱۸۲] و می توانند بینش های نوینی را، به درون مواد، بوجود بیاورند که بی نهایت نویدبخش برای ردیاب هایی نوین و مفید[۱۸۳] هستند. یکی از چالش برانگیزترین فرصت ها در حوزه ردیاب های اشعه ایکسی در کاربردهای پزشکی است که، در آن حوزه، ما مایلیم که بیشترین میزان اطلاعات را با کمترین دوز[۱۸۴] و دقیق ترین میزان اشعه ایکس به دست بیاوریم، تا جایی که امروزه برخی پزشکان از گرفتن تصاویر اشعه ایکسی اجتناب می‌ورزند[۱۸۵]، که البته امکان تشخیص پزشکی بهتر[۱۸۶] و نهایتاً شانس درمانی بهتر[۱۸۷] را کاهش می دهد .[۱۸۸] مسلماً ما چنین اطلاعاتی پزشکی را بدون به خطر افکندن جان بیماران می خواهیم.
در دهه های اخیر، پیشرفت های فنی بی شماری در پستان نگاری با استفاده از اشعه ایکس[۱۸۹] موجب بوجود آمدن سیستم هایی بسیار دقیق در تصویربرداری های اشعه ایکسی شده است که بسیار حساس هستند، و بیماران را در معرض ریسک بسیار کمتری قرار می دهند. در نتیجه چنین پیشرفت هایی سخت افزاری، ما قادر شده ایم که ردیاب های تک فوتونی[۱۹۰] بسیار حساس بسازیم که در نور بسیار بسیار کم هم کار می کنند.[۱۹۱]
البته، فراموش نکنیم که امتیاز بزرگ استفاده از ردیاب هایی که بدان ها اشاره کردم، چه در طیف نور قابل رویت، یا طیف فرابنفش و چه در نور فروسرخ و یا طیف اشعه ایکس، در آن است که هنگامیکه تصویر را دریافت می کنیم، ما ظرفیت مرتبط کردن آن تصویر با کامپیوتر و اینترنت را داریم، و چنین پیشبردی[۱۹۲]، پردازش اطلاعات[۱۹۳] را برای تیم های پزشکی، در سرعت هایی بی اندازه بالا و هزینه هایی بسیار پایین، میسر کرده است[۱۹۴].
طیف فرکانسی تراهرتز
در اینجا بد نیست که به طیف نوری دیگری[۱۹۵] نیز اشاره کنم که کمی اخیرتر پدید آمده است.[۱۹۶] به نظر می رسد که هر زمان که ما به طیف نوری نوینی وارد می شویم، اطلاعاتی نوین نیز در دسترس ما قرار می گیرد، و رنگ هایی نوین و گوناگون نیز منعکس، منتقل، و یا برون فرستاده[۱۹۷] می شوند، و ما قادر به تشخیص تشابه و تمایز مواد[۱۹۸]، بر اساس خواص شیمیایی آنها و یا خواص ترکیبی شان هستیم. یکی از طیف ها که تا یک دهه اخیر قابل دسترس نبود، طیف فرکانسی تراهرتز[۱۹۹] می باشد. با طیف مگاهرتز[۲۰۰] آشنا هستیم بدین دلیل که هرگاه رادیوی خود را تنظیم کرده ایم، در فرکانس‌های مگاهرتز بوده است. با طیف گیگاهرتز[۲۰۱] هم آشنا هستیم، زیرا که اساس ارتباطات تلفن های همراه می باشند. هرچه به فرکانس های بالاتر می رویم، به طیف فروسرخ، نور قابل رویت و بالاتر از آنها می رسیم.[۲۰۲]
بین دو طیف فرکانسی گیگاهرتز و فرکانس های نور قابل رویت، ما طیف فرکانسی تراهرتز را داریم. دلیل این که تا دهه اخیرتر ما از این طیف کمتر استفاده کرده ایم، بخاطر این بوده که ابزار سخت افزاری کارآیی[۲۰۳] بعنوان منبع فرکانسی بوجود آوردن اشعه های تراهرتز را نساخته بودیم.[۲۰۴] در دهه اخیر، بر اساس پدیده های کوانتومی که آفریننده فوتون هایی تراهرتزی[۲۰۵] هستند، طبقات نوینی از لیزرها و منابع نور و تصویریاب هایی جدید[۲۰۶]، ساخته شده اند که نشان از نوآوری های سخت افزاری پی درپی داشته اند[۲۰۷]. همانگونه که پیشتر اشاره داشتم، این ابزارهای سخت افزاری از پدیده ای کوانتومی، که الکترون ها را در بسته هایی با اندازه هایی متفاوت[۲۰۸] و در نتیجه با سطوح انرژی گوناگون قرار داده، بهره می گیرد، و از این پدیده برای اختراع نوآوری های سخت افزاری پی درپی استفاده می کند. با متصل کردن بسته های کوانتومی با اندازه های متفاوت، سطحی مشخص و طراحی شده از انرژی کسب می شود، و با بهم پیوستن بسته های کوانتومی مشخص، فوتون مورد نظر برای تصویریابی تراهرتزی به دست می آید.[۲۰۹]
با چنین ابزاری مهندسی شده، هر زمان که الکترونی از سطحی از انرژی به سطحی دیگر برود، یا از مداری به مداری دیگر بجهد، ما با برون فرستی طراحی شده فوتونی روبرو هستیم، یعنی با ذره ای از نور که در تصویریابی تراهرتزی می تواند مورد استفاده قرار بگیرد.[۲۱۰] این روزها تصویریابی تراهرتزی[۲۱۱] در حوزه کاربردهای امنیتی[۲۱۲] به کار گرفته می شود، زیرا که با چنین ابزاری درون هرگونه ماده یا فابریک را می توان دید. همچنین در این فرکانس، براحتی ابزارهای فلزی یا اسلحه و غیره می توانند ردیابی شوند و حتی می توان بسادگی ترکیب شیمیایی موادی از قبیل مواد مخدر را، که شاید جاسازی یا مخفی شده باشند، دید.
خوب، در این فصل تاکنون در مورد اینکه چگونه این روزها تصویریابی به ما توانایی آن را می دهد که از فواصلی دور، یعنی از مایل ها یا کیلومترها، بتوانیم با تابش اشعه نوری بر ماده ای، ردپای ترکیب شیمیایی[۲۱۳] آن را بیابیم، نوشته شد. اما گهگاهی، برخی مولکول ها بسیار پیچیده هستند و تشخیص و تمایز آنها از فواصل دور ممکن نیست، و در نتیجه نیاز به ردیاب های زیست شناختی هم پدید آمده است.[۲۱۴] در سال های اخیرتر، دانشمندان علمی با استفاده از ابزارهای مقیاس نانو، افشانه، اسپری یا ایروسلی ردیاب و زیست شناختی[۲۱۵] را اختراع کرده اند که می تواند با ماده شیمیایی مورد نظر (برای نمونه آنتراکس،) در هوا ترکیب شود و از طریق تغییر رنگ افشانه ، آن را شناسایی نماید.[۲۱۶]
با استفاده از چنین ابزاری فنی، رنگی دیگر و متفاوت، از ماده مورد نظر، متصاعد می‌شود که از فواصل دور نیز قابل ردیابی می باشد. در نتیجه از فاصله ای ایمن، می توان با استفاده از ردیاب هایی زیست شناختی[۲۱۷] اطلاعاتی بیشتر پیرامون خواص مواد مورد پژوهش )متفاوت ازآنچه با تنها استفاده از فوتون های ارسالی مقدور هست (دریافت کرد. یعنی در واقع با فرستادن ذراتی زیست شناختی، می توانیم عملکرد مواد را و تغییر ردپای آن ها )یعنی رنگ آنها و آنچه در طیف نوری عملی است را تغییر داده(، و آنها را شناسایی کنیم.[۲۱۸]
در پایان، برای اینکه خلاصه ای از مباحث این فصل کتاب “سفر به ریزها” داده باشم اینکه، در مورد پیوند و درهم پیوستگی دو حوزه ابزارهای نوری و ابزارهای الکترونیک نوشته شد. همچنین به این واقعیت اشاره داشتیم که اگرچه بسیاری از ابزارهای فنی و نوری مقیاس نانو، مدرن و نوین شمرده می شوند، اما ریشه های آنها در همان ابزارهای میکرو الکترونیکی و نانو الکترونیکی[۲۱۹] و ادامه ی عقلایی پژوهش های حوزه الکترونیک هستند. این بدین مفهوم است که صنعت تولید ردیاب های نوری یا تصویری، قادر بوده است تا از فرآیندهای در دسترس، که در صنعت الکترونیک سیلیکنی مورد استفاده هستند، بهره بگیرد[۲۲۰]. دیگر اینکه چنین توانایی ای صنعت تولید ردیاب های نوری را نیز بر همان روند “قانون مور” قرار داده است . همچنین در این فصل کتاب “سفر به ریزها” نوشته شد که در دهه اخیر، بر اساس پدیده هایی کوانتومی که آفریننده فوتون هایی تراهرتزی[۲۲۱] هستند، طبقات نوینی از لیزرها و منابع نوری نوین و تصویریاب های جدید[۲۲۲] تراهرتزی ساخته شده اند که نشان از نوآوری های سخت افزاری پی درپی داشته اند[۲۲۳] . بالاخره اینکه اشاره داشتم که ظرفیت و خلاقیت بشر در ابزارسازی سخت افزاری، و همچنین توانایی مهندسی مواد در مقیاس های نانو، ما را قادر ساخته تا بتوانیم خواص مواد[۲۲۴] را در طیف های نوری مورد نظر آنچنان طراحی و تولید کنیم که، بسادگی، با پلاتفرم های الکترونیک سیلیکنی موجود درهم ادغام شوند.
وقت و روزگار خوش، دانا و توانا باشید.
ریموند رخشانی
————————————
New product development
برای مقالات علمی من (منجمله این مقاله) به شکل پی دی اف و همچنین برای شنیدن فایل های صوتی ، لطفا به کانال تلگرام “سرشت علم” من مراجعه فرمائید
همچنین می توانید به کانال لینکدین زیر مراجعه فرمائید
https://www.linkedin.com/in/raymond-rakhshani-16628a5/detail/recent-activity/shares/
با سپاس از دوست گرامی، جناب اسفندیار منفردزاده، که با مهر و دوستی آهنگ آغازین و پایانی “سفر به ریزها” را برای فایل های صوتی من ساختند.
“The Handbook of Nano Technology, Policy and Intellectual Property Law”, John C. Miller, et al, Hoboken New Jersey: John Wiley and Sons, 2005.
چاپ و انتشار این مقالات و فایل های صوتی بدون ذکر نام نویسنده (ر. رخشانی) و مرجع، و هرگونه استفاده برای مقاصد خصوصی و اهداف انتفاعی بدون گرفتن مجوز از نویسنده اکیدا غیر قانونی است.
Sanders, Wesley, C. Basic Principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Frankel, Felice, C. and Whitesides, George, M. No Small Matter: Science on the Nanoscale. Belknap Press of Harvard University, 2009.
Sensing the World through Nanoengineering
Information processing
Datta, Supriyo. Lessons from Nanoelectronics: A New Perspective on Transport. World Scientific Publishing Company Ltd., 2017.
Schwab, Klaus. The Fourth Industrial Revolution. Currency, 2017.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Harrison, Paul, and Valavanis, Alex. Quantum Wells, Wires and Dots: Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures. Wiley, 2017.
Rakhshani, R. Origins of Modernity in the Evolution of Science and Technology. Booksurge, 2009.
Information-communication pipelines
Ohta, Jun. Smart CMOS Image Sensors and Applications. CRC Press, 2020.
Dowling, Jonathan, P. Schroedinger’s Web: Race to Build the Quantum Internet. CRC Press, 2020.
Transduce
Yadid-Pecht, Orly, and Etienne-Cummings, Ralph. CMOS Imagers: From Photo Transduction to Image Processing (Fundamental Theories of Physics.) Springer, 2004.
Process the information
Gyasi-Agyei, Amoakoh. Wireless Internet of Things: Principles and Practice. World Scientific Press, 2020.
Judge, Al. Mastering Digital Cameras: An Illustrated Guidebook. Subtle Visions Media, 2014.
Watzke, Megan. Light: The Visible Spectrum and Beyond. Black Dog & Leventhal, 2015.
Caloz, Christophe, and Itoh, Tatsuo. Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications. Wiley – IEEE Press, 2005.
Banica, Florinel-Gabriel. Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications. Wiley, 2012.
Durini, Daniel. High Performance Silicon Imaging: Fundamentals and Applications of CMOS and CCD Sensors. Woodhead Publishing, 2019.
Amigo, Jose’ Manuel. Hyperspectral Imaging (Data Handling in Science and Technology.) Elsevier, 2019.
Federici, John F., and Dale, Gary, and Barat, Robert, and Michalapoulou, Zoi-Heleni. T-Rays vs. Terrorists: Terahertz Radiation Lets Security Screeners Find Bombs and Weapons Wherever They’re Hidden. IEEE Spectrum 44, no. 7, July 2007.
Spectroscopy
Meyers, Arlen, D. Optical Detection of Cancer. World Scientific, 2011.
Ziolkowski, Richard, W. and Engheta, Nader. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley, John & Sons, 2006.
Silver-based films
Ahmed, Luma, M. and Hussein, Falah, H. Roles of Photocatalytic Reactions of Platinized TiO2 Nanoparticulates. LAP Lambert Academic Publishing, 2014.
Photo catalytic reaction
Silver-based salts
High resolution or a Precise spatial resolution
Nanoscale particle reactions in films
Naito, Makio, and Yokoyama, Toyokazu, and Hosokawa, Kouhei, et al. Nanoparticle Technology Handbook. Elsevier, 2018.
High pictorial resolution
Quantity of pixels
Konstantatos, G., and Sargent, E. H. Nanostructured Materials for Photon Detection. Nature Nanotechnology, 5. June 2010.
Direct interface
Information processing
Chinese Academy of Engineering. Network and Communication: Research on the Development of Electronic Information Engineering Technology in China. Springer, 2020.
Image sensor’s Integrated Circuit
Photodetector
Durini, Daniel. High Performance Silicon Imaging: Fundamentals and Applications of CMOS and CCD Sensors. Woodhead Publishing, 2019.
Pixel = Picture Element
Optical detectors
Processing
Djodjevic, Ivan, B. Advanced Optical and Wireless communication. Springer, 2018.
Appropriate
Optical modules
ICON Group International. The 2016-2021 World Outlook for CMOS Image Sensors.ICON Group International, Inc. 2015.
Key driving forces
More compact
More convenient
Djodjevic, Ivan, B. Advanced Optical and Wireless communication. Springer, 2018.
Slimmer optical modules
Boukhayma, Assim. Ultra Low Noise CMOS Image Sensors (Springer Theses.) Springer, 2017.
Nanomaterials
Optical sensors with slimmer modules
Limitations on form and thickness
Compatible
CMOS Integrated Circuits
Ohta, Jun. Smart CMOS Image Sensors and Applications (Optical Science and Engineering.) Boca Raton, Fl. CRC Press, 2008.
Baseline processes
CMOS = Complimentary Metal Oxide Semiconductors
Binh, Le Nguyen. Optical Modulation: advanced Techniques and Applications in Transmission Systems and Networks. CRC Press, 2017.
Sarkar, Mukul, and Theuwissen, Albert. A Biologically Inspired CMOS Image Sensor ( Studies in Computational Intelligence.) Springer, 2012.
Ohta, Jun. Smart CMOS Image Sensors and Applications (Optical Science and Engineering.) 2nd Edition. CRC Press, 2020.
Existing resources and processes
Image sensors and optical nano-instruments
Xin, Luo. CMOS Image Sensor Integrated Circuits: Principles, Design and Applications. Electronic Industry Press, 2014.
Wolff, Edward, L. Nanophysics and Nanotechnology: An Introduction into Modern Concepts in Nanoscience. Wiley–VCH, 2015.
Inniss, daryl, and Rubenstein, Roy. Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution. Morgan Kaufman, 2016.
More and more compact CMOS Integrated Circuits
Imtiaz, Waqas Ahmed, and Roka, Rastislav. Design, Implementation, and Analysis of Next Generation Optical Networks: Emerging Research and Opportunities. IGI Global, 2019.
Pixels
Willebrand, Heinz. Free Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today’s Networks. Pearson Technology Group, 2007.
Technological compromise
Raza, Hassan. Nanoelectronics Fundamentals: Materials, Devices and Systems. Springer, 2019.
High resolution image
Maitre, Henri. From Photon to Pixel: The Digital Camera Handbook. Wiley, 2019.
Accumulated interconnected layers
Fill factor problem
Doerband, Berndt, and Mueller, Henriette, and Gross, Herbert. Handbook of Optical Systems, Vol. 5. Wiley, 2012.
Pixels
Wiring obscures illumination
Light detectors
Transduce
Doerband, Berndt, and Gross, Herbert and Mueller, Henriette. Handbook of Optical Systems, Vol. 4, Survey of Optical Instruments. Wiley, 2008.
Colloidal quantum dots
Konstantatos, Gerasimos, and Sargent, Edward, H. Colloidal Quantum Dot Optoelectronics and Photovoltaics. Cambridge University Press, 2013.
Silicon wafer
Tu, Chang-Ching. Solution-processed Optoelectronic Devices from Colloidal Quantum Dots: Semiconductor Quantum Dots in Light-absorbing and Light-emitting Applications. Scolars’ Press, 2014.
Nanomaterials
Fill factor problem
Doerband, Berndt, and Gross, Herbert and Mueller, Henriette. Handbook of Optical Systems, Vol. 4, Survey of Optical Instruments. Wiley, 2008.
Oluwafemi, Oluwatomi Samuel, and Sakho, El Hadji Mamour, et. al. Ternary Quantum Dots: Synthesis, Characterization, and Applications. Woodhead Publishing, 2021.
Tacit and latent opportunities
Revolutionary products
Breakthrough and disruptive
Augmenting
Distinctive properties of nanomaterials
Wang, Zhiming, M. Quantum Dot Devices. Springer, 2012.
Synthesized
Synthesize in different sizes
Doerband, Berndt, and Gross, Herbert and Mueller, Henriette. Handbook of Optical Systems, Vol. 3. Wiley, 2007.
Almeida, Rui, and Martucci, Alessandro, and Santos, Luis, and Rojas, Rocio Estefania. Sol-Gel Derived Optical and Photonic Materials. Woodhead Publishing, 2020.
Pourhashemi, Ali. Engineering Materials: Applied Research and Evaluation Methods. Apple Academic Press, 2014.
Quantum size effect
Gould, Robert, J. Electromagnetic Processes. Princeton University Press, 2020.
Electron wave
Wang, Xiaodong, and Wang, Zhiming, M. Nanoscale Thermoelectrics. Springer, 2014.
لطفا به مقالات و فایل صوتی ۵۶، “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Ordinary image sensors
Ring, Francis, and Jung, Anna, and Zuber, Janusc, and John, Allen, et al. Infrared Imaging: A Casebook in Clinical Medicine. Institute of Physics Publishing, 2015.
Oakland from the Bay Bridge
San Francisco Bay
Infrared camera
Fog’s absorption and scattering
Vollmer, Michael, and Moellmann, Klaus-Peter. Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications. Wiley-VCH, 2018.
Tuning in the visible light’s spectral range
Spectral extent of Quantum Dots
Low cost silicon-based cameras
Gallium arsenide
Consumer appropriate technologies
Holst, Gerald, C. Testing and Evaluation of Infrared Imaging Systems. SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2008.
Building block
Augment
Kaplan, Herbert. Practical Applications of Infrared Thermal Sensing and Imaging Equipment. SPIE Publications – The International Society for Optical Engineering, 2008.
Barak, Shlomo. Space is All There is: The Physical Reality as Space Deformations and Waves. Kindle Publishing, 2020.
Suspicious
Synthetic
Spectral reflective properties
Distinguish
Minaev, Boris. Electronic Structure and Spectral Properties. LAP Lambert Publishing, 2019.
Whizzing through the air
Thermal signature
Resolve
Law enforcement applications
Military applications
Seeing color with digital image sensors
Guillen, Guillermo. Sensor Projects: The Internet of Things and Digital Image Processing. Apress, 2019.
Color wheel
Corresponding colors
White light source
لطفا به مقالات و فایل صوتی ۵۶، “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Attuned
Nakamura, Junichi. Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. CRC Press, 2016.
Silicon based array of pixels
Overlaid with a little matrix of red, green and blue filters
Works very effectively
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷، ۱۸ ، ۱۹ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Pixels inside optical sensors
Loci color
Jensen, John, R. Introductory Digital Image Processing, 4th Edition. Pearson, 2018.
Wide spectral tuning ability
Stacked pixels
Digital image sensing
Gonzales, Rafael, and Woods, Richard. Digital Image Processing. Pearson, 2017.
Multiexciton generation or Multiple exciton concept
Multiexciton generation or Multiple exciton concept
Cristobal, Ana, and Vega, Antonio Marti. Next Generation of Multivoltaics: New Concepts. Springer, 2012.
Drukarev, Evgeny, G. and Mikhailov, A.I. High-Energy Atomic Physics. Springer, 2018.
Image sensors
Pixel
Very sensitive integrated circuits
Colloidal quantum dots
Multiple Exciton Generation
Tu, Chang-Ching. Solution-processed Optoelectronic Devices from Colloidal Quantum Dots: Semiconductor Quantum Dots in Light-absorbing and Light-emitting Applications. Scolars’ Press, 2014.
Amplification cascade
Doerband, Berndt, and Gross, Herbert and Mueller, Henriette. Handbook of Optical Systems, Vol. 4, Survey of Optical Instruments. Wiley, 2008.
Multiexciton generation
A phenomenon occurring inside the efficient structures of quantum dots
Increasing the probability of particle interactions
National Aeronautics and Space Administration (NASA.) The Joint NASA/ Goddard University of Maryland Research Program in Charged Particle and High Energy Photon Detector Technology. NASA, 2019.
Ultraviolet range
X-ray detectors
Migdall, Alan, and Polyakov, Sergey, V, and Fan, Jingyun, and Bienfang, Joshua, C. Single-Photon Generation and Detection: Physics and Applications. Academic Press, 2013.
New and extremely promising and useful sensors
Minimum dose of X-ray
Inniss, daryl, and Rubenstein, Roy. Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution. Morgan Kaufman, 2016.
Better diagnosis
Ultimately a better treatment
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
X-Ray Mammography
Single photon detectors
Hoeler, Gerhard, and Fujimori, Atsushi, and Kuehn, Johann. Electron and Photon Interactions at High Energies. Springer, 2013.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Information processing
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
A different spectral regime
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷، ۱۸ ، ۱۹ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Reflected, transmitted and emitted
Materials’ contrast and distinction
Terahertz spectral regime
Megahertz
Gigahertz for cell phones communications
Rieh, Jae-Sung. Introduction to Terahertz Electronics. Springer, 2020.
Efficient hardware instruments
Song, Ho-Jin, and Nagatsuma, Tadao. Handbook of Terahertz Technologies: Devices and Applications. Pan Stanford, 2015.
Quantum phenomena that allow creation of terahertz photons
New light sources and photodetectors
Cascade hardware innovations
Putting electrons into boxes of different sizes
Son, Joo-Hiuk. Terahertz Biomedical Science and Technology. CRC Press, 2014.
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷، ۱۸ ، ۱۹ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Terahertz imaging
Intelligence and Security Applications
Chemical composition signature
Contera, Sonia. Nano Comes to Life: How Nanotechnology is Transforming Medicine and the Future of Biology. Princeton University Press, 2019.
Biosensing aerosol
Gupta, Ramesh, C. Handbook of Toxicology of Chemical Warfare Agents. Academic Press, 2020.
Biosensors or biodetectors
Grumezescu, Alexandru Mihai. Multifunctional Systems for Combined Delivery, Biosensing and Diagnostics. Elsevier, 2017.
Datta, Supriyo. Lessons from Nanoelectronics: A New Perspective on Transport. World Scientific Publishing Company Ltd., 2017.
Sarkar, Mukul, and Theuwissen, Albert. A Biologically Inspired CMOS Image Sensor (Studies in Computational Intelligence.) Springer, 2012.
Quantum phenomena that allow creation of terahertz photons
New light sources and photodetectors
Cascade hardware innovations
Properties of materials
فصل پنجم سفر به ریزها؛ آشنایی سیستمی با علم و فن آوری نانو
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید