متالنز چیست؟
متالنزها مواد لایه نازکی هستند که نانوساختارهای آنها نور را متمرکز می‌کند. آنها یکی از کاربرهای جدید فیزیک کوانتومی پیشرفته هستند و می‌توانند از نظر تئوری بر حد پراش میکروسکوپ نوری معمولی غلبه کنند. متالنزها با یک لایه بسیار نازک از سیلیکون دی‌اکسید، جایگزین شکل سنتی لوزی مانند لنزهای نوری می‌شوند. الگویی از ترانشه‌های نانومقیاس بر روی سطح اچ شده است. این ترانشه‌ها تقریباً به اندازه طول موج نور هستند و فوتون‌هایی را که از لایه نازک عبور می‌کنند، متمرکز می‌کنند.
نانوساختار کوچک در سطح متالنز، نور را از طریق یک ماده مسطح متمرکز می‌کند، اما این کار را با استفاده از پدیده‌های نوری (یا نانو نوری) انجام می‌دهد. متالنزها همچنین بسته به کاربردشان می‌توانند شکل انعطاف‌پذیر یا سفارشی داشته باشند، که آنها را برای کاربردهای پوشیدنی و الزامات حسگر تصویر جدید در آینده مناسب می‌سازد.
در نهایت، متالنز را می‌توان در تراشه‌های سیلیکونی معمول اچ کرد. این به این معنی است که آنها می‌توانند فضای تولید را با دیگر اجزای الکترونیکی به اشتراک بگذارند، که منجر به تولید یکپارچه دستگاه می‌شود که مزایای خودش را ایجاد می‌کند. با توسعه این فناوری جدید هیجان انگیز، طرح‌های کاملاً جدیدی از مولفه‌های نوری (مانند تراشه‌های نوری) در پیشِ رو قرار دارد. تاکنون لیتوگرافی پرتوی الکترونی (فرآیندی پرهزینه و نسبتاً آهسته) روش ترجیحی برای تولید متالنز بوده‌است. با این حال، مسائل مربوط به هزینه و بهره‌وری لیتوگرافی پرتو الکترونی رشد بخش متالنز تجاری را محدود کرده است.
برای حل این موضوع، مواد قابل چاپ با ضریب شکست بالا در دست بررسی هستند. این امر تولید انبوه با استفاده از ساخت افزایشی در مقیاس نانو را امکان‌پذیر می‌کند، اما تا همین اواخر هیچ ماده‌ای یافت نشده بود که الزامات متالنز را برآورده کند.
چاپ متالنز
مقاله جدیدی که در ACS Nano منتشر شده است، یک روش چاپ نانوکامپوزیت مقیاس‌پذیر و با کارایی بالا را توصیف می‌کند که یک راهکار تولید کم‌هزینه برای متالنز ارائه می‌دهد.
تحقیقات قبلی پیش از این تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) و گالیوم نیترید (GaN) را به عنوان گزینه‌های خوبی برای سطوح با راندمان بالا شناسایی کرده بود، اما ساخت با این مواد نیاز به فرآیند رسوب و اچ پیچیده و گران قیمتی دارد که آنها را برای کاربردهای تجاری نامناسب می‌سازد.
نویسندگان، مستقر در دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH در کره، یک نانوکامپوزیت سیلیکونی قابل چاپ برای غلبه بر این مشکلات ایجاد کردند. مواد نانوکامپوزیت جدید را می‌توان تنها در یک مرحله چاپ به متالنز تبدیل کرد. این فرآیند ساده، بدون نیاز به عملیات ثانویه مانند رسوب لایه نازک یا پلاسما اچینگ، یک سطح متا (metasurface) با کارایی بالا ایجاد می‌کند.
محققان نانوذرات سیلیسیم را در ماتریسی از رزین پخت‌پذیر با تابش UV پراکنده کردند تا مواد نانوکامپوزیت را سنتز کرده، ضریب شکست بالایی در مواد را بدست آورند و عملکرد متالنز را بهینه نمایند. قابل ذکر است که می‌توان از قالب برای چاپ‌های متوالی استفاده کرد و امکان ساخت متالنز در مقیاس بزرگ را فراهم کرد. دانشمندان بازده فوکوس ۴۷ درصد را در=λ ۹۴۰ نانومتر را با متالنز جدید خود گزارش کردند و همچنین گفتند که با بهینه‌سازی بیشتر ترکیب نانوکامپوزیت سیلیکونی، دستیابی به بازده بیشتری امکان‌پذیر است.
استفاده از نانوذرات سیلیکون
عنصر کلیدی در این نانوکامپوزیت، نانوذرات سیلیکون بود، اما محققان به چند نامزد دیگر اشاره کردند که قصد آزمایش آنها را دارند. در میان انواع دیگر نانوذرات، نقاط کوانتومی و نانوذرات مبدل فوتون به انرژی بالاتر (UCNPs) تحت بررسی دقیق این تیم قرار گرفته‌است.
به گفته محققان، نانوذرات کاربردی مانند اینها را می‌توان در کاربردهای متالنز استفاده کرد، اما اثرات آنها هنوز به طور کامل شناخته نشده است. این تیم پیش‌بینی می‌کند که اگر این نانوذرات همراه با توسعه دستگاه‌های نانوفوتونیکی جدید مانند نانولیزرها کاوش شوند، ممکن است پدیده‌های نانوفوتونی کوانتومی جدیدی را به همراه داشته باشد. این فرآیند توسعه‌یافته برای چاپ نانوکامپوزیت سیلیکونی به متالنز نیز کاربردهایی فراتر از محدوده مطالعه اولیه دارد. محققان گفتند که فرآیند چاپ آنها را می‌توان در فناوری‌های پیشرفته مانند متا هولوگرام، فیلترهای رنگی، جاذب‌های کامل و شنل‌های نوری (optical cloaks) به کار برد.
کاربردهای متالنز قابل چاپ جدید
از روش چاپ نانوکامپوزیت برای ایجاد متالنز نزدیک به فروسرخ (NIR) استفاده شد. این نوع متالنز در حسگرهای LiDAR به عنوان گیرنده، در دوربین‌های مادون قرمز (IR)، دوربین مدار بسته، دستگاه‌های دید در شب و دستگاه‌های بیومتریک برای تشخیص رگ‌ها کاربرد دارد.
این روش همچنین می‌تواند متالنز نور مرئی ایجاد کند. این نوع متالنز در ماژول‌های دوربین نوری فوق نازک برای گوشی‌های هوشمند و پوشیدنی‌های آینده کاربرد دارد. حسگرهای تصویربرداری در مقیاس نانو کاربردهای متعددی در آینده اینترنت اشیا (IoT) و در ترکیب با سیستم‌های هوش مصنوعی (AI)، یادگیری ماشین در فرآیندهای صنعتی و حمل و نقل و پرواز خودکار دارد.
چالش‌های توسعه متالنز
این مقاله به مجموعه تحقیقاتی در حال رشدی می‌پیوندد که به دنبال بهینه‌سازی و در نهایت تجاری‌سازی فناوری متالنز هستند. نویسندگان بر نیاز به اصول طراحی جدید برای ادامه اصلاح ابیراهی نوری (optical aberration) مانند ابیراهی کروی، ابیراهی رنگی و کما (نورشناسی) تاکید می‌کنند.
محققان گفتند در حال حاضر ماهیت پرزحمت و زمان‌بر شبیه‌سازی عددی مورد نیاز برای تحقیق در سطح متا مهم‌ترین مانع برای پیشرفت است. توسعه رویکردهای جدید برای طراحی سطح متا، مانند فرآیند چاپ نوآورانه که در این یادداشت توضیح داده شده، برای پیشرفت مداوم فناوری‌ها ضروری است. این تیم به تکنیک‌های هوش مصنوعی (AI) مانند یادگیری عمیق به عنوان مسیرهای بالقوه برای توسعه نانوساختارهای جدید اشاره کرد.
درباره نویسنده «بن پیلکینگتون»
بن پیلکینگتون نویسنده، ویراستار و نمونه‌خوان مستقل با مدرک کارشناسی‌ارشد در رشته ادبیات انگلیسی از دانشگاه آکسفورد است. او با استفاده از ارتباط نوشتاری متعهد به شفاف‌سازی است و از گفتن داستان‌های پیچیده و فنی به شیوه‌ای مناسب و قابل‌درک، لذت می‌برد.