طیف ‌سنجی رامان در عصر ماده و فوتونیک

طیف ‌سنجی رامان در عصر ماده و فوتونیک

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
فوتونیک فناوری تولید و مهار نور و سایر اشکال انرژی تابشی است که واحد کوانتومی آن فوتون است. فوتونیک شامل استفاده‌های پیشرفته از لیزر، اپتیک، فیبر نوری و دستگاه‌های الکترو نوری در زمینه‌های مختلف و متنوع فناوری از جمله انرژی جایگزین، تولید، مراقبت های بهداشتی، ارتباط از راه دور، نظارت بر محیط زیست، امنیت داخلی، هوا فضا و بسیاری زمینه‌های دیگر است.

فهرست مطالب

پیشرفت‌های قرن بیستم

قرن بیستم به دلیل پیشرفت هایی که در عرصه تکنولوژی‌ های الکترونیکی و کامپیوتری در آن اتفاق افتاد، عنوان قرن الکترونیک را از آنِ خود نمود. اکنون اما در ابتدای قرن ۲۱ با توجه به رشد نمایی حجم اطلاعات، گسترش شبکه ‌‌های ارتباطی، نیاز روز افزون به سرعت بیشتر در پردازش و ذخیره‌ سازی داده ‌ها و پتانسیل ‌های بالقوه صنعت فوتونیک در این عرصه، به زعم دانشمندان این صنعت، این قرن عرصه رشد صنعت فوتونیک خواهد بود. امروزه بخشی از این پتانسیل ‌ها بروز و ظهور نیز داشته است. ظهور شبکه ‌های فیبر نوری در سرتاسر جهان، نسل جدید پردازنده ‌های اپتیکی و منابع تولید انرژی الکتریکی مبتنی بر ساختارهای فوتونیکی تنها بخش کوچکی از این پیشرفت ها هستند.

ساختارهای فوتونیکی

نکته‌ ای که در این میان دارای اهمیت است، این است که سرعت گسترش این حجم از تکنولوژی در زندگی روزمره باعث ایجاد روندی معکوس بین نیاز بازار و پاسخ علم به این نیاز‌ها شده است. اگر به پیشرفت تکنولوژی در گذر تاریخ نگاهی داشته باشیم متوجه خواهیم شد که روند ایجاد یک نوآوری ابتدا با یافتن یک اثر علمی شروع و سپس توسط مهندسان به زبان صنعت ترجمه شده و یک محصول جدید به بازار عرضه می ‌شده است. این روند از ظهور علوم جدید تا ابتدای قرن ۲۱ وجود داشته است. اما اکنون میزان ارتباطات در دهکده جهانی و رشد تولید محتوا به حدی سرعت یافته که این روند را معکوس نموده است. امروزه این بازار و شرکت‌ های پیشرو هستند که نیاز بازار را پیدا می کنند و این نیاز به دانشمندان و مهندسان عرضه می شود. در این عرصه گروه‌ های علمی باید در تب و تاب پاسخ گویی به این نیاز‌ها باشند. به عنوان مثالی جامع، امروزه بحث خانه هوشمند (Smart Home) و شهر هوشمند (smart City) به میزان زیادی در کشور‌های توسعه یافته دنبال می ‌شود و در ایران هم به شکل کم ‌رنگ ‌تری درقالب تیم ‌های استارتاپی فعالیت ‌هایی در حال انجام است. حجم داده ‌های تولید شده از سنسور‌های مختلف در این پروژه ‌ها بسیار بالاست؛ بنابراین نیاز به حافظه‌ هایی به مراتب بزرگ تر و سریع تر از نسخه‌ های کنونی احساس می شود.  این نیاز، به حوزه تولید نیم رساناها مربوط می شود و محققین این بخش باید به دنبال پاسخ‌ گویی به آن باشند. از سوی دیگر باند‌های ارتباطی بین نقاط مختلف در شهر هوشمند باید با سرعت بسیار بالایی با هم در ارتباط باشند؛ لذا نسل جدیدتری از شبکه ‌های ارتباطی از قبیل شبکه ‌های ۵G یا ۶G را نیاز داریم. سنسورهای دقیق ‌تر، منابع انرژی تجدید‌پذیر با بازدهی بالاتر و … همه و همه تنها قسمتی از نیازهایی هستند که بازار از دانشگاهیان و محققین پیشرو، مطالبه می‌ کند. اگر به این موضوع کمی دقیق‌تر نگاه کنیم در می یابیم که زیرساخت تمام این نیاز‌ها استفاده از مواد جدید است. نیم ‌رساناهای جدید برای ذخیره سازی اطلاعات در حجم های کوچکتر، فیبرهای اپتیکی با موادی جدید‌تر که اتلاف و پاشندگی کمتری دارند، پردازنده ‌های اپتیکی با موادی با پردازش سریعتر، آشکارسازهایی از مواد حساس‌تر، سلول‌ های خورشیدی از موادی با بازده بالاتر و… همگی به بحث تولید مواد جدید برمی گردند.

حوزه های دیگر علم از شیمی و داروسازی تا صنعت جواهرات و اتومبیل گرفته تا پزشکی و محیط‌زیست و رنگ و غیره همه به دنبال یافتن و خلق مواد جدید هستند. اینجاست که نیاز به ابزاری برای تشخیص و آنالیز مواد ارزشی دو چندان پیدا می‌ کند؛ به ویژه اگر این مواد تولید آزمایشگاهی یاشند و اطلاعات جامعی از قبل در مورد آن ها وجود نداشته باشد.  

برای شناسایی مواد روش‌ های زیادی وجود دارد. شیوه های مختلف طیف سنجی یک دسته از این روش ها هستند. طیف سنجی های مبتنی بر نور در این میان به دلیل دقت و سرعت بالا جایگاه ویژه ای دارند. ضمن اینکه قابلیت تطبیق‌ پذیری و توسعه طیف‌ سنجی ‌های نوری با پیشرفت های تکنولوژی بسیار بالاست.

طیف سنجی رامان یکی از روش های طیف سنجی مبتنی بر نور و بسیار کارآمد است. رامان برای هر ماده یک طیف ‌اثر انگشتی و منحصر به فرد ایجاد می‌ کند که به وسیله آن می توان مواد مجهول را با دقت بالایی شناسایی نمود. این کار را به راحتی می‌توان از طریق ایجاد یک پایگاه داده طیفی رامان و قرار دادن آن در اختیار محققین، به انجام رساند.

طیف رامان

شکل ۱- طیف رامان یک پدیده اثر انگشتی است.

طیف ‌سنجی رامان از طریق تحریک انرژی باند‌های مولکولی اقدام به شناسایی مواد نموده و لذا یک روش کاملاً غیر مخرب است. از مهم ترین ویژگی های این روش می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • شناسایی دقیق به شکل اثر انگشتی
  • غیر مخرب و بدون نیاز به آماده‌ سازی نمونه
  • بسیار سریع (اندازه‌ گیری در هر میلی ثانیه یا میکروثانیه)
  • عدم نیاز به تماس با نمونه (از چند سانتی ‌متر تا چند متر قدرت تشخیص دارد)
  • اندازه ‌گیری با کمترین میزان نمونه (در حد میکروگرم)
  • توانایی غلظت‌ سنجی (ppm و ppb)
  • توانایی اندازه ‌گیری در آب
  • توانایی آنالیز از پنجره ‌های اپتیکی و چمبر‌ها
  • توانایی قرارگیری در خطوط تولید
  • سهولت در استفاده

نمودار زیر میزان فعالیت مهندسین، دانشمندان و محققین رشته های مختلف را در زمینه طیف سنجی نشان می دهد که اهمیت طیف سنجی را به خوبی نشان می دهد. این نمودار از پایگاه استنادی اسکوپوس تهیه شده است. به وضوح قابل مشاهده است که یک توزیع گسترده در میان همه گروه‌ها وجود دارد.

نمودار توزیع کاربردهای طیف‌سنجی رامان در حوزه‌های مختلف علم

شکل ۲- نمودار توزیع کاربردهای طیف‌سنجی رامان در حوزه‌های مختلف علم

کشورهای پیشرو در زمینه طیف‌ سنجی رامان را نیز در نمودار زیر می ‌توانید مشاهده نمایید (بر اساس تعداد مقالات نمایه شده):

شکل ۳- نمودار توزیع استفاده از طیف‌سنجی رامان در کشورهای مختلف

همان گونه که مشاهده می‌ گردد، کشورهای توسعه ‌یافته و صنعتی فعالیت‌ های گسترده ‌ای در این زمینه دارند.

شرکت تکسان به عنوان تنها شرکت سازنده میکروسکوپ ‌های رامان در  ایران فعالیت‌ های گسترده ‌ای در زمینه آموزش و گسترش طیف ‌سنجی‌ های نوری در فضای صنعتی و آکادمیک ایران دارد. برگزاری کارگاه ‌های تخصصی، آموزش محققین و متخصصین، تولید محصولات پیشرفته طیف ‌سنجی، از فعالیت‌های شرکت تکسان است. از همه علاقه ‌مندان این حوزه دعوت می‌ شود برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه با ما در تماس باشند.

0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x