صدرا

درباره نانوفوتونيک چه ميدانيم؟

● نانوفوتونيک چيست ، چه مي کند و چه خواهد بود؟

▪ با نگاهي گذرا به زيرساخت

براي روشن شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيک بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشکيل دهنده آن يعني فوتونيک و فناوري نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيک خواهيم داد.

اصولاً به علوم و فناوري هاي مربوط و به کار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) که به برهم کنش هاي بين نور و ماه مي پردازند فوتونيک گفته مي شود که ليزر، اپتيک، تصويري سازي نوري و الکترونيک نوري از حوزه هاي اصلي آن هستند.

● اما فناوري نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيک چيست؟

دربارة تعاريف فناوري نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد که به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده اي از آن ارائه کرد.
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي
[بزرگ‌نمايي تصوير]
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي

مثالي که براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي شود اين است که اگر از پنج صاحب نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري نانو ارائه خواهند کرد.

يکي از آنها به مواد و کاربردها، يکي به تجهيزاتي که دستکاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولکولي را ممکن مي سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي که به طور طبيعي به وجود مي آيند، اشاره خواهد کرد.

يک مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نکته که فناوري نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد کرد تا اين که چه چيزي هست. به طور مثال يک فناور به اين نکته اشاره مي کند که فناوري نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولکولي اتفاق مي افتد اطلاق کرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يک متصدي بار در آمريکا که براي توليد نوعي نوشيدني، مولکول هاي مخمر جو سياه را با مولکول هاي نوشيدني شيرين افسنطين ترکيب مي کند، فناوري نانو اطلاق کنيم.

حال به سراغ تعريفي مي رويم که کاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف مان در اين مقاله بيشتر کمک خواهد کرد:

به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس که اولين مرکز تحقيقاتي دانشگاه فناوري نانو در آمريکا را در سال ۱۹۹۳ تأسيس کرده است يک هم گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يک تعريف استاندارد شده وجود دارد که مي توان آن را اين گونه بيان کرد: دستکاري ماده در سطح مولکولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي کاربردهاي معين.

● تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيک چقدر خواهد بود؟

به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه ۲۰۰۵ به وسيله Business Communications (Norwalk)، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيک از ۴۲۱ ميليون دلار در سال ۲۰۰۴ به ۳/۹ ميليارد دلار در سال ۲۰۰۹ خواهد رسيد که کاربردهايي کليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديک متغير خواهد بود.

● حوزه هاي کاربردي نانوفوتونيک

يکي از گزارش هايي که امسال توسط شرکت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره مي کند که کاربردهاي کوتاه مدت نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول هاي خورشيدي (دريافت کننده هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشکي تا هوش کنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.

در حوزه فناوري هاي تواناساز سه فناوري که رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري هاي نانوفوتونيک داشته اند نقاط کوانتومي، نانولوله هاي کربني و بلور هاي فوتونيکي بوده اند.

نقاط کوانتومي در حجم وسيعي براي کاربردهايي چون زيست پزشکي توليد مي شوند. همين طور نانولوله هاي کربني کاربردهاي جديدي در خودرو، پزشکي، نمايشگرها و محاسبات مي يابند. بلور هاي فوتونيکي نيز به جهان نانو هجوم آورده اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور هاي فوتونيک براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيک استفاده مي کنند (که هم اکنون ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر هستند) که هدف نهايي آنها به وجود آوردن نانوفوتونيک با قابليت تطبيق پذيري با نيمه رساناهاي اکسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع هاي فوتونيکي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي ۱۰۰ نانومتري و کوچکتر است.

● شناسايي زيرساخت هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيک :

سؤالي که پيش آمد اين است که در صورتي که کشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيک پرداخته و از کاربردهاي آن بهره مند گردد، کدام فناوري ها نقش حياتي تري را در اين راه ايفا خواهند کرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت که البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد که از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يک پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي توان از يک مدل ساده استفاده کرد.

ابتدا بايد کاربردهاي اصلي نانوفوتونيک و فناوري هاي مربوط به هر کدام را شناسايي نمود و بررسي کرد کدام فناوري ها به اکثر کاربردهاي مادر مربوط مي شوند که البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي تر براي کاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري هايي که از اهميت کمتري برخوردارند و نمره بالائي کسب نکرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه هاي بدون اولويت نشود.

همان طور که ذکر کرديم کاربردهاي کوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري هاي مربوط به اين ۴ دسته ضريب ۲ قائل خواهيم شد.

● مراکز مهم تجاري نانوفوتونيک در جهان

مسأله بعدي يافتن راهکارهايي براي توسعه اين فناوري ها و در مرحله بعد تجاري سازي کالاهاي نانوفوتونيک است که به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يکي از مؤثرترين اين راهکارها همکاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيک دنيا است.

در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراکز پيشرو تجارت نانو فوتونيک در جهان مي پردازيم، ضمن اين که مراکز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيک در مقاله اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد.

▪ در زمينه نانوذرات و نانوبلور ها شرکت ها Evident technology در نيويورک آمريکا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شرکت ها هستند.

▪ در زمينه استفاده از نانولوله در نمايشگرها شرکت DuPont در دلاوير آمريکا و Samsung در سئول کره جنوبي مهمترين مراکزند.

▪ شرکت هاي Konarka در ماساچوست آمريکا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراکز تجاري درباره سلول هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شرکت هايي که درباره سيم ها و بلور هاي فوتونيکي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريکا و LittleOptics در مري لند آمريکا هستند.

● آينده و چالش هاي نانوفوتونيک

در طول سال ها، نانوفوتونيک از توسعه مواد در نيمه رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيک اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است که بازۀ وسيعي از مفاهيم و کاربردها زير چتر نانوفوتونيک قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيک مولکولي باز کرده اند که چشم انداز فوق العاده اي را به ما مي نماياند.

اگر چه هنوز اپتيک و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذکر کنيم که در حالي که فوتونيک بيشتر شامل تجهيزات سامانه ها و زيرسامانه ها است، نانوفوتونيک بيشتر به کاربردهاي فناوري هاي اپتيکي موجودبراي ساخت، دستکاري و تصويربرداري از اشياء در قطع هاي نانوئي و مولکولي مي پردازد.

در حقيقت يکي از کاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري هاي نوري تعيين مشخصات است، که در کاربرد فلوئورسانس و طيف نمائي نوري و تکنيک هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله اي و فرآيندهاي مولکولي شاخص ترين موارد هستند.

يشرفت هاي به دست آمده در تکنيک هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي باشد.

محققان بيان مي کنند که در تمام تحقيقات نانوئي از روش هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشکل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله ها، تفاوت هاي ساختاري فراوان آنها است که چالش هايي را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشکلي دست و پنجه نرم کنند.

حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري ها و تجهيزات نانوفوتونيک ي حياتي است. حتي نانولوله هاي کربني نيز که هم اکنون در حجم هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد کنندگان ساخته مي شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي برند که اين مسأله تأثير مهمي بر کارآئي بسياري از کاربردهايش دارد.

محققان در آزمايشگاه هاي مختلف از روش هاي مختلف استفاده مي کنند و اين گونه است که نتايج کار آنها مي تواند متفاوت باشد و توليد کنندگان نانولوله ها در کنترل ترکيبات محصول دچار مشکلاتي اساسي مي شوند که اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه هاي تجاري سازي را کند مي کند. با اين موضوع همچنين از بعضي از کاربردهاي بسيار ظريف که مي توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي کند. بنابر اين تلاش هاي بسياري براي توليد نانولوله هاي کربني با کنترل و گزينش بيشتر صورت مي گيرد.

از سوي ديگري تلاش ها به سمت کنترل تغييرات خواص مواد متمرکز شده است که در حين ساختار يافتن اشياء به کمک نور رخ مي دهد.

ديگر محققان نيز در حل کار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند که از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا، زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش هايي بوده اند که گروهي از محققان را واداشته است که براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه هاي دريايي و نوعي از غبار که فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش هايي را صورت دهند.