نانوفوتونيک: جبهه‌اي مهيج در فناوري‌نانو
نانوفوتونيک جبهه هيجان انگيز جديدي از فناوري‌نانوست که اذهان افراد زيادي را در سراسر جهان به خود مشغول کرده است و به برهم‌کنش‌هاي نور و ماده در ابعاد نانومتري مربوط مي‌شود. نانوفوتونيک با افزودن ابعاد جديدي به علوم و فناوري‌نانو، چالش‌هايي براي تحقيقات بنيادي و فرصت‌هايي براي فناوري‌هاي جديد پديد آورده است.
گرايش به علوم نانو، در واقع به حقيقت پيوستن ادعاي معروف فاينمن است که مي‌گويد: "فضاي زيادي آن پايين وجود دارد" (فاينمن 1961). او به اين نکته اشاره مي‌کند که اگر طول يک ميکرومتر (يک ميليونيوم متر) را به قطعات نانومتري آن تقسيم کنيم، مي‌شود تصور کرد كه چه بخش‌ها و فضاهاي فراواني قابل دستکاري خواهد شد.
ما در عصر جنون نانو زندگي مي‌کنيم. هر چيزي که به نانو مربوط شود هيجان انگيز و ارزنده تلقي مي‌شود. بسياري از کشورها برنامه ملي پيشگامي فناوري‌نانو را آغاز کرده‌اند يک گزارش مفصل در مورد برنامه ملي پيشگامي فناوري‌نانوي ايالات متحده توسط شوراي تحقيقات ملي (nrc 2002) منتشر شده است. در عين اين که فناوري‌نانو نمي‌تواند ادعا کند که براي هر مشکلي راه حل بهتري را فراهم مي‌کند، اما نانوفوتونيک، فرصت‌هاي جديد و هيجان‌انگيزي خلق مي‌کند و فناوري‌هاي نويني را توانا مي‌سازد. نکته کليدي اين است که نانوفوتونيک به برهم‌کنش‌هاي نور و ماده در ابعادي بسيار کوچکتر از طول موج خود نور مي‌پردازد.
نانوفوتونيک در يک نگاه
نانوفوتونيک همان گونه که در شکل آورده شده است، از لحاظ مفهومي به سه بخش قابل تقسيم است. يک رويکرد براي در دست گرفتن برهم‌کنش‌هاي بين نور و ماده در قطع نانومتري، محدود کردن نور در ابعاد نانومتري است به صورتي که بسيار کوچکتر از طول موج نور باشد.
رويکرد دوم محدود کردن ماده به ابعاد نانوئي است که به وسيله آن برهم‌کنش‌ها در ابعاد نانومتري محدود مي‌شوند. اين رويکرد به حوزه نانومواد مربوط مي‌شود. آخرين رويکرد محدود کردن فرآيندهاي نوري است که در آن ما به يكي از حوزه‌هاي نانوشيمي يا "تغيير فاز به وسيله نور" وارد مي‌شويم.
علم وفناوری نوری نانو مقیاس:
-فرایندهای نور نانومقیاس
-محدودساختن نانومقیاس ماده
-محدودساختن نانومقیاس تشعشع
اين رويکرد روش‌هايي را براي نانوساخت ساختارهاي فوتونيکي و واحدهاي کارکردي فراهم مي‌کند. حال نگاهي به محدود ساختن نانومقياس تشعشع‌ها خواهيم انداخت.
چند راه وجود دارد که مي‌توان به وسيله آنها نور را به ابعاد نانومقياس محدود کرد. يکي از آنها پراکنش نوري ميدان- نزديک است كه به عنوان مثال مي‌توان از متمرکز کردن نور توسط يک فيبر نوري باريک و با پوشش فلزي به جايي که در آن نور از يک نقطه و در فضايي به مراتب کوچکتر از طول موج نور ساطع مي‌شود، نام برد.
محدود ساختن نانومقياس ماده به منظور ساختن نانومواد براي فوتونيک شامل راه‌هاي متفاوتي از محدود سازي ابعاد ماده براي توليد نانوساختارهاست. به طور مثال مي‌توان از نانوذراتي استفاده کرد که خواص الکترونيکي و فوتونيکي منحصر به فرد داشته باشند. دانستن اين نکته خشنودکننده است که نانوذرات هم اکنون نيز براي کاربردهاي متفاوتي از نانوفوتونيک مانند جذب اشعه ماوراء بنفش در کرم‌ها و محلول‌هاي ضد آفتاب استفاده مي‌شوند.
نانوذرات را مي‌توان هم از مواد آلي و هم از مواد غير آلي ساخت. نانومرها ]در برابر پليمرها[ که چندپارهايي (تعداد اندکي از واحدهاي تکراري) با اندازه‌هاي نانومتري هستند و ساختارهاي نانومري دارند، مشابه‌هاي آلي نانوذرات هستند.
در مقابل، پليمرها ساختارهاي زنجيري شکل و طولاني هستند که از تعداد زيادي واحد تکراري تشکيل شده‌اند که خواص نوري وابسته به اندازه نانومرها را دارند. نانوذرات فلزي پاسخ‌هاي نوري منحصر به فردي بروز مي‌دهند و کمک‌هاي فراواني به حوزه الکترومغناطيس مي‌کنند و قلمرو پلاسمونيک را شکل مي‌دهند. نانوذراتي وجود دارند که با رويکرد ساخت بالا به پايين روي دو فوتون (ذره بنيادي نور) جذب شده مادون قرمز، فوتوني را در ناحيۀ ماوراء بنفش پديد مي‌آورند و بالعکس، نانوذراتي وجود دارند که برنده‌هاي کوانتومي خوانده شده و با رويکرد پايين به بالا، يک فوتون جذب شده ماوراء بنفش را به دو فوتون در ناحيۀ مرئي تبديل مي‌کند.
يک حوزه جذاب از نانومواد، فوتونيک شفاف است که به وجود آورنده ساختارهاي عايق متناوب با تکرار واحد، با نظمي شبيه نظم طول موج نور است.
نانوکامپوزيت‌ها شامل نانوناحيه‌‌هايي از دو يا چند ماده غير مشابه مي‌شوند که در اندازه و قطع نانومتري، طبقات جداگانه‌اي داشته باشند.
هر نانوناحيه‌اي در نانوکامپوزيت‌ها مي‌تواند صاحب خاصيت نوري خاص باشد. جريان انرژي نوري که به وسيله انتقال انرژي (ارتباطات نوري) بين ناحيه‌ها خلق مي‌شود، قابل کنترل نيز هست.
فرآيند نوري نانومقياس مي‌تواند در نانوليتوگرافي براي ساخت نانوساختارهايي به کار گرفته شود که براي به وجود آوردن حسگرها و محرك‌هاي نانومقياس استفاده مي‌شوند. حافظه نوري نانومقياس نيز يکي از مباحث و موضوعات هيجان انگيز نانوساخت است. يکي از خواص مهم نانوساخت اين است که فرآيند نوري مي‌تواند به منطقه‌هاي نانوئي دقيق محدود شود و به اين وسيله ساختارهايي با هندسه و آرايش فرادقيق ساخته شود.
تحصيل، آموزش و تحقيقات چند رشته‌اي
ما در جهاني پيچيده زندگي مي‌کنيم که در آن پيشرفت‌هاي انقلابي در زمينه ارتباطات، حافظه‌ي کامپيوتري و پردازش داده، رخ داده است و اين پيشرفت‌ها هر روز نيز ادامه مي‌يابد.
امروزه، نياز فزاينده به فناوري‌هاي نويني وجود دارد که بيماري‌ها را به سرعت و در مراحل اوليه و پيش از اوليه تشخيص دهند. از آنجا که ما به اين پيشرفت‌ها خو گرفته‌ايم، انتظاراتمان به سوي فناوري‌هاي فشرده، با بهره‌وري بالا از انرژي، با پاسخ دهي سريع و ايمني براي محيط زيست مي‌رود. فناوري با محوريت فوتونيک که با فناوري‌نانو نيز ترکيب شده است مي‌تواند به بسياري از اين چالش‌ها پاسخ بدهد.
در حوزه پزشکي، مدل‌هاي جديدي از تشخيص دهنده‌هاي فوتونيکي بيماري که غيرمخرب و بر اساس كاركردهاي مولکولي باشند، مي‌توانند بيماري‌هايي چون سرطان را در مراحل اوليه، پيش از اوليه و آغازين شناسايي کنند و بدين وسيله جهشي را در اين حوزه پديد بياورند.
نانوپزشکي که با شيوه‌هاي فعال و هدايت شده توسط نور آميخته شده است، به پيشرفت شيوه‌هاي درماني مولکول به مولکول که حداقل اثرات جانبي را دارند، خواهد انجاميد.
دهه‌هاي اخير شاهد جهش‌هاي فناورانه‌اي بوده‌اند که به وسيله اختلاط رشته‌هاي متفاوت به وجود آمده‌اند و اين روند با رسيدن هزاره سوم بسيار تسريع شده است.
نانوفوتونيک، در صورتي که با ديدي وسيع به آن نگريسته شود، فرصت‌هايي را براي تعامل و آميختگي بين رشته‌هايي از علوم، فناوري و پزشکي فراهم مي‌کند که به طور سنتي از يکديگر جدا هستند.
همان‌گونه که بيشتر در مورد آن صحبت خواهد شد، نانوفوتونيک حوزه‌اي ميان رشته‌اي است که فيزيک، شيمي، علوم کاربردي و مهندسي، زيست شناسي و فناوري زيست پزشکي را چون بسياري ديگر رشته‌ها در بر خواهد گرفت.
يک جبهه چند رشته‌اي کامل در فراسوي نگاه وسيع به نانوفوتونيک در حال محقق شدن است. اين چالش‌ها نياز به افزايشي قابل توجه در تعداد محققان دانشي و کارکنان آموزش ديده در اين حوزه پديد مي‌آورندكه مي‌تواند با فراهم آوردن آموزش چند رشته‌اي براي نسل آينده محققان، چه در مقطع ليسانس و چه بعد از آن در سراسر جهان، برطرف شود.
شناخته شدن اين نياز در سراسر جهان را مي‌توان از تعداد فزاينده سمينارها و کارگاه‌هاي در اين‌باره و دوره‌هاي تحصيلي در مقاطع مختلف که مؤسسات و دانشگاه‌هاي مختلف برگزار مي‌کنند و يا در انديشه برگزاري آنها هستند، دريافت.
فرصت‌هايي براي تحقيقات پايه‌اي و توسعه‌اي فناوري‌هاي نوين
نانوفوتونيک، تعدادي از حوزه‌هاي محوري فناوري‌هاي جدي چون ليزرها، فوتونيک، فوتوولتائيک، فناوري‌نانو و زيست فناوري را به هم پيوند مي‌دهد. هر کدام از اين فناوري‌ها يا هم اکنون چيزي بيش از سالي 100 ميليارد دلار سود حاصل از فروش داشته و يا اين پتانسيل را به راحتي در خود دارند.
نانوفوتونيک همچنين فرصت‌هاي متعددي براي تحقيقات بين رشته‌اي به وجود آورده است. در انتها به معرفي طبقه‌بندي شده اين فرصت‌ها براي محققان و دانشمندان هر رشته پرداخته‌ايم:
شيمي‌دان‌ها و مهندسين شيمي
- کانال‌هاي متشکل و ترکيب شده جديد از مواد مختلف و پردازش نانومواد
- انواع جديدي از نانوساختارهاي مولکولي و مجموعه‌هاي فوق مولکولي با شيوه‌هاي مختلف طراحي نانويي
- نانوساختارهاي متناوب و غيرمتناوب خودسامان براي دست يافتن به کارکردهاي چندگانه و تأثيرات آنها بر يکديگر
- شيمي براي اصلاح سطوح براي توليد الگوهاي نانويي
- سنتز تک – محفظه‌اي که احتياج به مخزن واكنش تغييرکننده نداشته باشد.
- توليد مقياس پذير براي ساخت اقتصادي و توليد انبوه
فيزيک‌دان‌ها
- الکتروديناميک کوانتومي براي مطالعه پديده‌هاي نوري نوين در نانوحفره‌ها
- منشاء تک فوتوني براي پردازش اطلاعات کوانتومي
- پردازش نوري غير خطي نانومقياس
- کنترل نانويي برهم‌کنش‌هاي بين الکترون‌ها، فوتون‌ها و فونون‌ها
- مطالعات طيف‌بندي و زمان‌بندي شده مجموعه نيروهاي محرک با ميدان ديد نانوئي
مهندسين تجهيزات
- نانوليتوگرافي براي نانوساخت افشاننده‌هاي نور، تشخيص دهنده‌ها ومتصل کننده‌ها
- پيوند دادن نانومقياس افشاننده‌هاي نور، مجاري انتقال، پردازنده‌هاي علائم و تشخيص دهنده‌هايي که با مولدهاي نيرو ترکيب شده‌اند.
- مدارهاي شفاف فوتونيک ودستگاه‌هاي مبتني بر ميکرو حفره‌ها
- ترکيب فوتونيک شفاف و پلاسمونيک براي تسهيل کارکردهاي نوري خطي و غيرخطي مختلف
- نقاط کوانتومي و ليزرهاي سيم‌هاي کوانتومي
- صفحات دريافت انرژي خورشيدي سبک، پهن‌باند و فرا بهره‌ور که به صورت طومار قابل جمع‌آوري و بسته‌بندي باشند.
- برنده‌هاي کوانتومي براي جدا کردن فوتون‌هاي ماوراءبنفش مکنده به دو فوتون قابل ديدن براي استفاده در نسل جديد نور افشان‌ها و لامپ‌هاي فلورسنت
زيست‌شناسان
- دستکاري ژنتيکي مواد زيستي براي فوتونيک‌ها
- راهكارهاي زيست شناختي براي هدايت توسعه مواد فوتونيکي مهم از زيست
- کلوييدهاي زيستي و الگوهاي زيستي براي ساختارهاي فوتونيکي
- سنتز باکتريايي مواد فوتونيکي
محققان زيست پزشکي
- نانو ميله‌هاي نوري جديد براي عيب‌يابي و تشخيص دهنده‌هاي بيماري
- درمان‌هاي هدف‌گيري شده با استفاده از نانوپزشکي هدايت شده توسط نور
- مدل‌هاي جديد براي روش‌هاي درماني فعال شده توسط نور با استفاده از نانوذرات
- فناوري‌نانو براي زيست حسگرها
منبع:مقاله:نت
