تكنولوجيا

تعمل المواد المصممة بمهندسة النانو على كسر الضوء للخلف – وهي خطوة رئيسية نحو الدوائر الضوئية

مفهوم الضوئيات المادية النانوية

تُظهر المادة المصممة حديثًا ذات الهندسة النانوية خاصية كانت في السابق ممكنة من الناحية النظرية فقط: يمكنها أن تنكسر الضوء إلى الوراء ، بغض النظر عن الزاوية التي يصطدم فيها الضوء بالمادة.

تُعرف هذه الخاصية بالانكسار السالب وهي تعني أن مؤشر الانكسار – السرعة التي يمكن للضوء أن ينتقل بها عبر مادة معينة – سالب على جزء من الطيف الكهرومغناطيسي في جميع الزوايا.

الانكسار هو خاصية مشتركة للمواد ؛ فكر في شكل قشة في كوب من الماء على الجانب ، أو كيف تركز العدسات على الضوء. لكن الانكسار السالب لا يقتصر فقط على تحريك الضوء بضع درجات إلى جانب واحد. بدلاً من ذلك ، يتم إرسال الضوء بزاوية معاكسة تمامًا للزاوية التي دخل منها إلى المادة. لم يتم ملاحظة ذلك في الطبيعة ، ولكن منذ الستينيات ، تم افتراض حدوثه فيما يسمى بالمواد الدورية الاصطناعية ، أي المواد التي تم إنشاؤها ليكون لها نمط هيكلي محدد. الآن فقط أصبحت عمليات التصنيع تلحق بالنظرية لجعل الانكسار السلبي حقيقة واقعة.

مسح صورة بالمجهر الإلكتروني لشبكة نانوية

مسح صورة المجهر الإلكتروني (SEM) لصريف المقياس النانوي. 1 رصيد

جرير جرير ، الأستاذ روبين ف. ودونا ميتلر معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. علم المواد والميكانيكا والهندسة الطبية ، وأحد المؤلفين الرئيسيين لورقة بحثية تصف المادة الجديدة. تم نشر المقال في المجلة أحرف النانو.

تحقق المادة الجديدة خصائصها غير العادية من خلال الجمع بين التنظيم النانوي والميكروسكيل وإضافة طبقة رقيقة من الجرمانيوم المعدني من خلال عملية طويلة وشاقة. جرير هي شركة رائدة في إنشاء مثل هذه المواد المعمارية النانوية ، أي المواد التي تم تصميم هيكلها وتنظيمها على مقياس نانومتر والتي تظهر بالتالي خصائص غير عادية ، وغالبًا ما تكون مفاجئة – على سبيل المثال ، السيراميك خفيف الوزن بشكل استثنائي الذي يعود إلى شكله الأصلي ، مثل اسفنجة بعد ضغطها.

تحت المجهر الإلكتروني ، تبدو بنية المادة الجديدة كأنها شبكة من المكعبات المجوفة. كل مكعب صغير جدًا لدرجة أن عرض الحزم التي يتكون منها هيكل المكعب يكون 100 مرة أصغر من عرض شعرة الإنسان. تم إنشاء الشبكة باستخدام مادة البوليمر ، والتي يسهل العمل بها نسبيًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ثم تم تغليفها بمعدن الجرمانيوم.

يقول Ryan Ng (MS ’16، PhD ’20) ، “إن الجمع بين الهيكل والطلاء يمنح الشبكة هذه الخاصية غير العادية” ، أحرف النانو ورق. أجرى Ng هذا البحث عندما كان طالبًا دراسات عليا في مختبر جرير وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في المعهد الكتالوني لعلم النانو وتكنولوجيا النانو في إسبانيا. ركز فريق البحث على هيكل ومادة الشبكة المكعبة باعتبارها التركيبة الصحيحة من خلال عملية نمذجة حاسوبية دقيقة (ومعرفة أن إبرة الراعي مادة عالية الفهرس).

لتغليف البوليمر بالتساوي على هذا المقياس بمعدن ، كان على فريق البحث تطوير طريقة جديدة تمامًا. في النهاية ، استخدم Ng و Greer وزملاؤهم تقنية الرش التي تم فيها قصف قرص من الجرمانيوم بأيونات عالية الطاقة أدت إلى تفجير ذرات الجرمانيوم من القرص إلى سطح شبكة البوليمر. يقول نج: “ليس من السهل الحصول على طلاء مستوٍ”. “لقد استغرق الأمر الكثير من الوقت والكثير من الجهد لتحسين هذه العملية.”

لهذه التكنولوجيا تطبيقات محتملة للاتصالات السلكية واللاسلكية والتصوير الطبي وتمويه الرادار والحوسبة.

في واحد رؤية عام 1965، خريج معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جوردون مور (دكتوراه ’54) ، وهو عضو مدى الحياة في مجلس أمناء معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، توقع أن تصبح الدوائر المتكاملة أكثر تعقيدًا ونصف تكلفة كل عامين. ومع ذلك ، نظرًا للحدود الأساسية لتبديد الطاقة وكثافة الترانزستور التي تسمح بها أشباه موصلات السيليكون اليوم ، فإن القياس الذي تنبأ به قانون مور يجب أن ينتهي قريبًا. “نحن نقترب من نهاية قدرتنا على اتباع قانون مور ؛ جعل الترانزستورات الإلكترونية صغيرة بقدر الإمكان ، “يقول نج. العمل الجاري هو خطوة نحو إظهار الخصائص البصرية التي ستكون ضرورية لتفعيل الدوائر الضوئية ثلاثية الأبعاد. لأن الضوء ينتقل أسرع بكثير من الإلكترونات ، فإن الدوائر الضوئية ثلاثية الأبعاد ، من الناحية النظرية ، ستكون أسرع بكثير من الدوائر التقليدية.

المرجع: “رسم خرائط التشتت في مصفوفات بلورية ضوئية ذات غلاف أساسي ثلاثي الأبعاد قادرة على الانكسار السلبي للأشعة تحت الحمراء المتوسطة” بقلم فيكتوريا إف. ، 2022 ، أحرف النانو.
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c02851

المؤلفون المشاركون هم هاري أتواتر ، أستاذ هوارد هيوز للفيزياء التطبيقية وعلوم المواد ، والرئيس التنفيذي لشركة أوتيس بوث لقسم الهندسة والعلوم التطبيقية. فيكتوريا ف.تشرنو (دكتوراه 17) وسيينغ بينغ (دكتوراه 17). تم تمويل هذا البحث من قبل Dow-Resnick Fellowship ، وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (داربا) ومكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE).


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button