پژوهشگران سرامیکهای شفافی ساختهاند که نور را با کارآیی بیسابقهای کنترل میکند و تولید این ماده ارزان و آسان جایگزین کریستالهای گرانقیمت در فناوریهای ارتباطی و پزشکی خواهد شد.
به گزارش هیچ یک _ وبگاه تِکاِکسپلور در گزارشی آورده است:
سرامیکهای شفاف جدیدی که بهتازگی ساخته شدهاند، نه تنها نور را از خود عبور میدهند، بلکه میتوانند آن را با کارآیی بهتر از همه پیشبینیهای نظری کنترل کنند. این ویژگی منحصربهفرد، آنها را به گزینهای مطلوب برای ساخت تجهیزات سریعتر، کوچکتر و کممصرفتر در حوزههای ارتباطات پرسرعت، تصویربرداری پزشکی و حسگرهای پیشرفته تبدیل کرده است.
معمای علمی و نظریه انقلابی
هایکسیو یان (Haixue Yan) و گروهش در دانشگاه کویینمری لندن سرامیکهای شفاف را تولید کردند، اما عملکرد استثنایی این مواد یک معمای علمی باقی مانده بود. آنها برای یافتن توضیح این پدیده، با پروفسور زیکویی لیو (Zi-Kui Liu) از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا همکاری کردند. لیو که پیشتر نظریه پیشرفتهای به نام نظریه زنتروپی (zentropy theory) (ترکیبی از مکانیک کوانتوم، ترمودینامیک و مکانیک آماری) ارائه داده بود، توانست با این نظریه راز عملکرد فوقالعاده سرامیکها را توضیح دهد.
مزایای سرامیک در مقایسه با کریستالهای سنتی
اقتصادیبودن: تولید سرامیکها بسیار کمهزینهتر از کریستالهای تکمادهای (single crystals) است؛
کنترل دقیق: امکان تنظیم ترکیب شیمیایی ماده با دقت بالا وجود دارد؛
قابلیت تولید انبوه: میتوان این مواد را در مقیاس صنعتی و برای قطعات کاربردی تولید کرد.
چالش اصلی و راهحل
سرامیکها به طور طبیعی به دلیل ساختار دانهای که نور را پراکنده میکند، کدر هستند. با استفاده از روشهای ساخت پیشرفته، پژوهشگران موفق به تولید سرامیکهای کاملاً شفاف شدهاند.
کشف شگفتانگیز در مقیاس اتمی
بررسی این مواد با میکروسکوپ الکترونی پیشرفته نشان داد که به جای دامنههای بزرگ (مناطقی شامل هزاران اتم همراستا)، مناطق قطبی کوچک به اندازه تنها چند اتم در این سرامیکها وجود دارند.
راز عملکرد فوقالعاده
این مناطق کوچک میتوانند بیدرنگ و با سرعت نور به میدان الکتریکی پاسخ دهند. برخلاف دامنههای بزرگ که برای فناوریهای رادیویی مناسباند، این ساختارهای ریز برای فوتونیک (دانش و فناوری ایجاد، کنترل و تشخیص نور) و ارتباطات نوری مطلوب هستند.
چرا نظریههای پیشین قادر به توضیح این پدیده نبودند؟
نظریه زنتروپی آشکار کرد که رفتار اتمها در این سرامیکها بسیار پویا و نوسانی است. این نوسانات سریع که در نظریههای سنتی بهعنوان نویز در نظر گرفته میشدند، در واقع همان عاملی هستند که به ماده اجازه میدهد با سرعتی بیسابقه به محرکهای الکتریکی پاسخ دهد.
پروفسور لیو توضیح میدهد: با شکستن ساختار به واحدهای اتمی کوچکتر، مانع انرژی برای تغییر قطبیشدن بهشدت کاهش مییابد. این امر پاسخ ماده به میدان الکتریکی را تقریباً آنی میکند.
کاربردهای آیندهساز
این سرامیکهای پیشرفته میتوانند در ساخت دستگاههای زیر استفاده و جایگزین نیوبات لیتیم شوند که دههها ماده استاندارد این صنعت بوده است:
- مودولاتورهای نوری (تراشههای تبدیلکننده داده به نور) برای اینترنت فیبر نوری پرسرعت؛
- سوئیچهای نوری در مراکز داده؛
- سامانههای هدایت خودروهای خودران؛
- دستگاههای تصویربرداری پزشکی با وضوح بالا؛
- حسگرهای فوقحساس.
نقل قول کلیدی
پروفسور یان میگوید: این مواد میتوانند راه را برای نسل جدیدی از دستگاههای الکترواپتیکی هموار کنند که کوچکتر، سریعتر، کممصرفتر و کمهزینهتر هستند.
چشمانداز آینده
گروه پژوهشی در حال حاضر بر روی این اهداف متمرکز هستند:
- تولید انبوه این سرامیکها در مقیاس صنعتی؛
- توسعه نسخههای بدون سرب برای ایمنی بیشتر؛
- آزمایش قابلیت اطمینان بلندمدت مواد.
پروفسور لیو میگوید: با پیشرفت در این حوزهها، خوشبین هستیم که دستگاههای کاربردی در آینده نزدیک به واقعیت بپیوندند.
این کشف که در مجله معتبر انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، نه تنها معمای علمی مهمی را حل کرده، بلکه آیندهای را ترسیم میکند که در آن دسترسی به اینترنت پرسرعت، تصویربرداری پزشکی پیشرفته و فناوریهای ارتباطی نوین، بسیار ارزانتر و کارآمدتر از امروز خواهد بود.
