درباره نانوفوتونیک چه میدانیم؟

● نانوفوتونیک چیست ، چه می‌کند و چه خواهد بود؟
▪ با نگاهی گذرا به زیرساخت
برای روشن‌شدن مفهوم و گستره نانوفوتونیک بالاجبار باید تبیینی مختصر از دو حوزه تشکیل‌دهنده آن یعنی فوتونیک و فناوری‌نانو ارائه دهیم. ابتدا توضیح مختصری راجع به فوتونیک خواهیم داد.
اصولاً به علوم و فناوری‌های مربوط و به کار گیرنده نور و فوتون (ذره بنیادی نور) که به برهم‌کنش‌های بین نور و ماه می‌پردازند فوتونیک گفته می‌شود که لیزر، اپتیک،‌تصویری‌سازی نوری و الکترونیک نوری از حوزه‌های اصلی آن هستند.
● اما فناوری‌نانو چیست و تأثیرات آن بر فوتونیک چیست؟
دربارة تعاریف فناوری‌نانو، منابع و ادبیات آن چنان مفصلی وجود دارد که به سختی بتوان تعریف واحد و پذیرفته شده‌ای از آن ارائه کرد.
مثالی که برای نشان دادن این تعدد تعاریف استفاده می‌شود این است که اگر از پنج صاحب‌نظر در حوزه نانو نظرخواهی شود، احتمالاً آنان پنج تعریف متفاوت از فناوری‌نانو ارائه خواهند کرد.
یکی از آنها به مواد و کاربردها، یکی به تجهیزاتی که دستکاری و تجسم اشیا و فرآیندها در سطح مولکولی را ممکن می‌سازند و دیگری به تمایز بین نانومواد و نانوفرآیندهای ساخت بشر و آنهایی که به طور طبیعی به وجود می‌آیند، اشاره خواهد کرد.
یک مورد هم احتمالاً بیشتر به این نکته که فناوری‌نانو چه چیزی نیست اشاره خواهد کرد تا این که چه چیزی هست. به طور مثال یک فناور به این نکته اشاره می‌کند که فناوری‌نانو را نباید به هر آن چه در سطح مولکولی اتفاق می‌افتد اطلاق کرد در غیر این صورت باید به فعالیت یک متصدی بار در آمریکا که برای تولید نوعی نوشیدنی، مولکول‌های مخمر جو سیاه را با مولکول‌های نوشیدنی شیرین افسنطین ترکیب می‌کند، فناوری‌نانو اطلاق کنیم.
حال به سراغ تعریفی می‌رویم که کاربرد بیشتری دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما برای رسیدن اهداف‌مان در این مقاله بیشتر کمک خواهد کرد:
به گفته بروس ویزمن، استاد دانشگاه رایس که اولین مرکز تحقیقاتی دانشگاه فناوری‌نانو در آمریکا را در سال ۱۹۹۳ تأسیس کرده است یک هم‌گرائی در جامعة علمی برای رسیدن به یک تعریف استاندارد شده وجود دارد که می‌توان آن را این گونه بیان کرد: دستکاری ماده در سطح مولکولی و اتمی برای به وجود آوردن ساختارهای مهندسی شده برای کاربردهای معین.
● تأثیرات فناروی نانو بر فناوری فوتونیک چقدر خواهد بود؟
به طور بالقوه بسیار زیاد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانویه ۲۰۰۵ به وسیله Business Communications (Norwalk)، بازار جهانی تجهیزات نانوفوتونیک از ۴۲۱ میلیون دلار در سال ۲۰۰۴ به ۳/۹ میلیارد دلار در سال ۲۰۰۹ خواهد رسید که کاربردهایی کلیدی، بین دیودهای نورافشان و نور میدان- نزدیک متغیر خواهد بود.
● حوزه‌های کاربردی نانوفوتونیک
یکی از گزارش‌هایی که امسال توسط شرکت Strategies با مسئولیت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره می‌کند که کاربردهای کوتاه مدت نانوفوتونیک به چهار دسته اصلی نمایشگرها، دیودها، نورافشان، سلول‌های خورشیدی (دریافت کننده‌های انرژی خورشیدی) و حسگرهای زیست شیمیایی تقسیم خواهد شد و بازار نهایی آن از مسائل مربوط به امنیت و پزشکی تا هوش کنترل شده و فناوری اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.
در حوزه فناوری‌های تواناساز سه فناوری که رشد بیشتری نسبت به دیگر فناوری‌های نانوفوتونیک داشته‌اند نقاط کوانتومی، نانولوله‌های کربنی و بلور‌های فوتونیکی بوده‌اند.
نقاط کوانتومی در حجم وسیعی برای کاربردهایی چون زیست پزشکی تولید می‌شوند. همین طور نانولوله‌های کربنی کاربردهای جدیدی در خودرو، پزشکی، نمایشگرها و محاسبات می‌یابند. بلور‌های فوتونیکی نیز به جهان نانو هجوم آورده‌اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور‌های فوتونیک برای ساخت مدارهای نانوفوتونیک استفاده می‌کنند ‌(که هم‌اکنون ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر هستند) که هدف نهایی آنها به وجود آوردن ‌نانوفوتونیک با قابلیت تطبیق‌پذیری با نیمه‌رساناهای اکسید فلزی یا همان CMOSها برای دستیابی به تولید انبوه مدار مجتمع‌های فوتونیکی و به طور تدریجی مدارهای نانوئی ۱۰۰ نانومتری و کوچکتر است.
● شناسایی زیرساخت‌های حیاتی برای توسعه نانوفوتونیک :
سؤالی که پیش آمد این است که در صورتی که کشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونیک پرداخته و از کاربردهای آن بهره‌مند گردد، کدام فناوری‌ها نقش حیاتی‌تری را در این راه ایفا خواهند کرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش برای دسترسی به آنها در اولویت قرار خواهد گرفت که البته پاسخ به چنین سؤالی نیاز به تحقیقات عمیق و طولانی مدت دارد که از حوصلة این مقاله خارج است ولی برای به دست آوردن یک پاسخ ابتدایی و نسبتاً منطقی می‌توان از یک مدل ساده استفاده کرد.
ابتدا باید کاربردهای اصلی نانوفوتونیک و فناوری‌های مربوط به هر کدام را شناسایی نمود و بررسی کرد کدام فناوری‌ها به اکثر کاربردهای مادر مربوط می‌شوند که البته در این راه باید به دلیل یافتن پاسخی قطعی‌تر برای کاربردهای مختلف است ضریبی قائل شد. فناوری‌هایی که از اهمیت کمتری برخوردارند و نمره بالائی کسب نکرده، مشخص شوند تا تلاش برای دسترسی به آنها باعث صرف منابع در زمینه‌های بدون اولویت نشود.
همان طور که ذکر کردیم کاربردهای کوتاه مدت و سودآوری نانوفوتونیک به چهار دسته اصلی نمایشگرهای دیود نورافشان، پیل‌های خورشیدی و حسگرهای زیست شیمیایی تقسیم خواهند شد، پس ما برای فناوری‌های مربوط به این ۴ دسته ضریب ۲ قائل خواهیم شد.
● مراکز مهم تجاری نانوفوتونیک در جهان
مسأله بعدی یافتن راهکارهایی برای توسعه این فناوری‌ها و در مرحله بعد تجاری‌سازی کالاهای نانوفوتونیک است که به احتمال قوی و طبق نتایج به دست آمده تحقیقات مدیریت راهبردی، یکی از مؤثرترین این راهکارها همکاری با مؤسسات مهم تجاری و تحقیقاتی نانوفوتونیک دنیا است.
در این مقاله ما به اختصار به معرفی مراکز پیشرو تجارت نانو فوتونیک در جهان می‌پردازیم،‌ ضمن این که مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی نانوفوتونیک در مقاله‌ای دیگر به طور جداگانه بررسی خواهند شد.
▪ در زمینه نانوذرات و نانوبلور‌ها شرکت‌ها Evident technology در نیویورک آمریکا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترین شرکت‌ها هستند.
▪ در زمینه استفاده از نانولوله‌ در نمایشگرها شرکت DuPont در دلاویر آمریکا و Samsung در سئول کره جنوبی مهمترین مراکزند.
▪ شرکت‌های Konarka در ماساچوست آمریکا و STMicroelectronics در جنوا سوئیس فعالترین مراکز تجاری درباره سلول‌های خورشیدی هستند و بزرگترین شرکت‌هایی که درباره سیم‌ها و بلور‌های فوتونیکی فعال هستند. NanoOpto در نیوجرسی آمریکا و LittleOptics در مری لند آمریکا هستند.
● آینده و چالش‌های نانوفوتونیک
در طول سال‌ها، نانوفوتونیک از توسعه مواد در نیمه‌رساناها و مفاهیم توسعه در فیزیک اتمی و خود سامانی در علوم شیمی سود برده است و این مسئله منجر به این شده است که بازۀ وسیعی از مفاهیم و کاربردها زیر چتر نانوفوتونیک قرار گرفته و راهی را به سوی فوتونیک مولکولی باز کرده‌اند که چشم‌انداز فوق‌العاده‌ای را به ما می‌نمایاند.
اگر چه هنوز اپتیک و لیزر ابزارهای مقدماتی در تجارت نانو هستند، ولی جالب است ذکر کنیم که در حالی که فوتونیک بیشتر شامل تجهیزات سامانه‌ها و زیرسامانه‌ها‌ است، نانوفوتونیک بیشتر به کاربردهای فناوری‌های اپتیکی موجودبرای ساخت، دستکاری و تصویربرداری از اشیاء در قطع‌های نانوئی و مولکولی می‌پردازد.
در حقیقت یکی از کاربردهای اصلی نانومقیاس در فناوری‌های نوری تعیین مشخصات است، که در کاربرد فلوئورسانس و طیف‌نمائی نوری و تکنیک‌های مرتبط در تحقیقات برای تعیین مشخصات بهتر با ابزاری مانند مواد نانولوله‌ای و فرآیندهای مولکولی شاخص‌ترین موارد هستند.
یشرفت‌های به دست آمده در تکنیک‌های نوری و غیر نوری منجر به تصاویر با دقت بسیار بالا از اشیاء بسیار ریز می‌باشد.
محققان بیان می‌کنند که در تمام تحقیقات نانوئی از روش‌های مشابهی از تعیین مشخصات به وسیله نور استفاده شده است ولی مشکل اصلی نانوساختارها مانند نانولوله‌ها، تفاوت‌های ساختاری فراوان آنها است که چالش‌هایی ‌را فراروی "گزینش انتخابی" قرار داده است. محققان این رشته باید به طور مداوم با چنین مشکلی دست و پنجه نرم کنند.
حل این مسأله برای تولید انبوه و در مقیاس بالای فناوری‌ها و تجهیزات نانوفوتونیکی حیاتی است. حتی نانولوله‌های کربنی نیز که هم اکنون در حجم‌های تقریباً انبوه توسط بعضی تولید کنندگان ساخته می‌شوند هنوز از عدم وجود استانداردهای قابل اطمینان رنج می‌برند که این مسأله تأثیر مهمی بر کارآئی بسیاری از کاربردهایش دارد.
محققان در آزمایشگاه‌های مختلف از روش‌های مختلف استفاده می‌کنند و این گونه است که نتایج کار آنها می‌تواند متفاوت باشد و تولید کنندگان نانولوله‌ها در کنترل ترکیبات محصول دچار مشکلاتی اساسی می‌شوند که این مسأله در حقیقت، تحقیقات و بعضی از جنبه‌های تجاری‌سازی را کند می‌کند. با این موضوع همچنین از بعضی از کاربردهای بسیار ظریف که می‌توانند از خواص نوری بسیاری دقیق سود برند، جلوگیری می‌کند. بنابر این تلاش‌های بسیاری برای تولید نانولوله‌های کربنی با کنترل و گزینش بیشتر صورت می‌گیرد.
از سوی دیگری تلاش‌ها به سمت کنترل تغییرات خواص مواد متمرکز شده است که در حین ساختار یافتن اشیاء به کمک نور رخ می‌دهد.
دیگر محققان نیز در حل کار بر روی نانومواد و نانوتجهیزاتی هستند که از لحاظ زیست محیطی و زیستی سازگارتر باشند. از سوی دیگر، هزینه بالا،‌ زمان بر بودن و قابلیت بالقوه تخریب طبیعی دیگر چالش‌هایی بوده‌اند که گروهی از محققان را واداشته است که برای استفاده از فرآیندهای طبیعی نانوئی مانند خزه‌های دریایی و نوعی از غبار که فرآیندهای نانوئی در آن رخ می‌دهد در محصولات و سطوح دیگر تلاش‌هایی را صورت دهند.

منابع :
Small Times Magazineصحفه ۳۰ Larry Bock, Nanosys, July/ August ۲۰۰۳.
Nanophotonics: A marketing challenge Tom Hausken Laserfocusworld December ۲۰۰۴
Global community charts a course for Nanophotonics KATHYKINCADE laserfocusworld August ۲۰۰۵

منبع : آسمان ابری