من المنسوجات الذكية إلى السيارات ذاتية القيادة: يعمل الباحثون على تطوير أنواع جديدة من أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء التي تكون أكثر استدامة ومرونة وفعالية من حيث التكلفة من التقنيات التقليدية. مفتاح النجاح ليس (فقط) تكوين المادة، ولكن أيضًا حجمها.
ما هو العامل المشترك بين أجهزة كشف الحركة والسيارات ذاتية القيادة والمحللات الكيميائية والأقمار الصناعية؟ تحتوي جميعها على أجهزة كشف للأشعة تحت الحمراء (IR). في جوهرها، بالإضافة إلى إلكترونيات القراءة، تتكون هذه الكاشفات عادة من مادة شبه موصلة بلورية. يصعب تصنيع مثل هذه المواد: فهي غالبًا ما تتطلب ظروفًا قاسية، مثل درجة حرارة عالية جدًا، والكثير من الطاقة. الباحثون مقتنعون بوجود طريقة أسهل. يعمل فريق بقيادة إيفان شوروبالكو من مختبر النقل في مختبر الواجهات النانوية على كاشفات الأشعة تحت الحمراء المصغرة المصنوعة من النقاط الكمومية الغروية.
لا تبدو عبارة “النقاط الكمومية” مفهومًا سهلاً لمعظم الناس. ويوضح شوروبالكو: “إن خصائص المادة لا تعتمد فقط على تركيبها الكيميائي، ولكن أيضًا على أبعادها”. إذا قمت بإنتاج جزيئات صغيرة من مادة معينة، فقد يكون لها خصائص مختلفة عن القطع الأكبر من نفس المادة. ويرجع ذلك إلى التأثيرات الكمومية، ومن هنا جاء اسم “النقاط الكمومية”.
لاكتشاف وتركيب هذه الجسيمات الصغيرة الرائعة، حصل مونجي باوندي، ولويس بروس، وأليكسي إكيموف على جائزة نوبل في الكيمياء في عام 2023. ولكن في حين أن العلم وراء النقاط الكمومية معقد، فإن البساطة تكمن في معالجتها. تأتي النقاط الكمومية الغروية في محلول ويمكن تطبيقها على مواد مختلفة عن طريق الطلاء الدوراني أو الطباعة – وهي أرخص وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر مرونة من أشباه الموصلات التقليدية.
النقاط الكمومية لها تاريخ بالفعل في إمبا. تعمل مجموعة أبحاث ماكسيم كوفالينكو في مختبر الأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية على تصنيع النقاط الكمومية من مواد مختلفة لأكثر من عشر سنوات. يقوم شوروبالكو وفريقه بعد ذلك بدمج النقاط الكمومية لإنتاج مكونات إلكترونية فعالة، تسمى الأجهزة – على سبيل المثال أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. بالتعاون مع خبراء آخرين في Empa، يقومون أيضًا بالبحث في طرق المعالجة والتطبيقات الإضافية للنقاط الكمومية والأجهزة المصنوعة منها.
أحد الأمثلة: في عام 2023، نجح الباحثون في طباعة كاشف الأشعة تحت الحمراء المصنوع من النقاط الكمومية على ألياف البوليمر الضوئية – وهو أمر غير ممكن مع كاشفات الأشعة تحت الحمراء التقليدية. ولتحقيق ذلك، عمل شوروبالكو المتخصص في الأجهزة ومرشح الدكتوراه جوخان كارا ليس فقط مع خبير المواد كوفالينكو، ولكن أيضًا مع ياروسلاف رومانيوك، خبير في الطباعة من مختبر الأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية في إمبا، ومع متخصص الألياف رينيه روسي من الأغشية المحاكاة الحيوية و معمل المنسوجات. ونشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Advanced Materials Technologies في عام 2023.
أحد التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا هو المنسوجات الذكية. ويقول شوروبالكو: “إن سوق المنسوجات العالمية أكبر وأسرع نمواً من سوق الإلكترونيات الاستهلاكية”. ويمكن أن تستفيد المنسوجات المتخصصة على وجه الخصوص من أجهزة الكشف المرنة للأشعة تحت الحمراء، على سبيل المثال الملابس الوظيفية لرجال الإطفاء أو المنسوجات الطبية لمراقبة المرضى. ومع ذلك، يرى شوروبالكو أيضًا إمكانات كبيرة في الموضة: “إذا كانت أجهزة الكشف والمكونات الإلكترونية الأخرى صغيرة وغير مكلفة وسهلة التصنيع، فيمكننا استخدامها لتشغيل ملابسنا اليومية. فالتقنيات الحالية ببساطة غير متوافقة مع المنسوجات.”
وبما أن كل كاشف يتكون من نقاط كمية عديدة يبلغ حجمها خمسة نانومتر فقط، فمن الممكن تصنيع كاشفات صغيرة جدًا للأشعة تحت الحمراء. وفي مقال نُشر مؤخرًا في مجلة ACS Photonics، وصف شوروبالكو وكارا وأقرانهم في Empa وETH Zurich كاشفًا أصغر من الطول الموجي للضوء الذي يقيسه. يتيح ذلك للباحثين تسجيل خصائص إضافية لضوء الأشعة تحت الحمراء، مثل الطور أو التداخل، مما يجعل الكاشف أكثر تنوعًا.
بعد ذلك، يهدف شوروبالكو إلى تحسين سرعة الكاشف. هناك حاجة إلى أجهزة كشف سريعة للأشعة تحت الحمراء، على سبيل المثال، من أجل تقنية الليدار، وهي تقنية الكشف عن المسافة المعتمدة على الضوء والتي تساعد السيارات ذاتية القيادة على إيجاد طريقها، من بين أشياء أخرى. يقول الباحث: “اليوم، تستخدم الليدارات كاشفات الأشعة تحت الحمراء القائمة على السيليكون، والتي تقيس ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجة يبلغ حوالي 905 نانومتر”. المشكلة: على الرغم من أن هذا الطول الموجي غير مرئي للعين البشرية، إلا أنه لا يزال ضارًا عند استخدام الطاقة العالية. لهذا السبب، لا يستطيع ليزر الليدار أن ينبعث إلا ضوءًا ضعيفًا، مما يحد من نطاق النظام بأكمله. توجد بالفعل أجهزة كشف للأطوال الموجية الأطول والأكثر أمانًا، ولكنها باهظة الثمن بحيث لا يمكن استخدامها على نطاق واسع. يمكن للكاشف السريع المعتمد على النقاط الكمومية أن يوفر بديلاً ويتيح أنظمة ليدار قوية وآمنة وفعالة من حيث التكلفة.
إذن، متى ستظهر أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء القائمة على النقاط الكمومية في السوق؟ على عكس معظم التقنيات والمواد الجديدة، ليس هناك حاجة للصبر في هذه الحالة. يقول شوروبالكو: “إن أجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء ذات النقاط الكمية متاحة بالفعل في السوق”. “لم يسبق لي أن رأيت تقنية تقفز من المختبر إلى السوق بهذه السرعة.” ومع ذلك، فإن عمل الباحثين لم ينته بعد. وتتمثل مهمتهم الآن في جعل هذه التكنولوجيا الواعدة أسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة وأكثر مرونة وأكثر استدامة.
