نانو آنتن‌ به آنتن‌هایی گفته می‌شود که در مقیاس نانومتری ( 1-100 نانومتر) قرار دارند. فرکانس کاری این نوع آنتن‌ به فرکانس تراهرتز مشهور است که بازه‌ی بین مایکروویو و مادون قرمز یعنی از 1/0 تا 30 تراهرتز را پوشش می‌دهد. امروزه تکنولوژی تراهرتز توجه بسیاری از محققان را با توجه به ویژگی‌های منحصربفردی که دارد، به خود جلب کرده است.

با ظهور فناوری ذخیره اطلاعات در دیسک‌های نوری، دنیای دیجیتال متحول شد. در آن زمان، ذخیره‌ 650 مگابایت اطلاعات بر روی یک سی‌دی، حجم زیادی بنظر می‌رسید (حداقل تا زمان ورود DVDهای 7‌، 4 گیگابایتی و بیشتر). اما اکنون و در نسل بعدی فناوری دیسک‌های نوری (HD DVD حداقل با 15 گیگابایت حافظه و Blu-ray حداقل با 25 گیگابایت حافظه) و DVDها هم قدیمی شده‌اند. بتازگی محققان دانشگاه هاروارد با مدیریت پروفسور Federico Capasso و دستیارش پروفسور Ken Crozier به فناوری با عنوان «لیزر نانوآنتن - Laser Nanoantenna» دست یافته‌اند که می‌تواند همنوعان پیشین خود را براحتی کنار بگذارد. لیزر نانوآنتن (که با نام Plasmonic Laser Antenna نیز خوانده می‌شود) می‌تواند 5 ترابایت داده را بر روی یک دیسک نوری در ابعاد مشابه یک سی‌دی و یا DVD، ذخیره کند.

ذره‌بین‌های لیزری امروز، حافظه‌های نوری آینده

فناوری نانوآنتن یک اشعه‌ لیزر را برای ایجاد یک نقطه‌ بسیار کوچک نور، متمرکز می‌کند و همین مسئله سبب می‌شود که هر بیت داده بر روی یک دیسک نوری فضای کوچکی را اشغال کند. علاوه بر این می‌توان از این فناوری در ابزارهای دیگری مانند ذره‌بین‌ها و طیــف‌نماهای (spectroscopy) لیزری استفاده کرد. محققان دانشگاه هاروارد اعلام کرده‌اند که این فناوری در ابتدای کار، بجای استفاده در حافظه‌های نوری بیشتر در این نوع دستگاه‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. هم‌اکنون محققان نگاه خود را به عکس‌العمل سازندگان و فروشندگان حافظه‌های نوری معطوف کرده‌اند. پروفسور Capasso می‌گوید: "واضح است که تقاضا برای حافظه‌های نوری با حجم ذخیره بالاتر احساس می‌شود، اما برای رسیدن به مراحل عملی این پروژه، کار زیادی نیاز است. مثلاً ابتدا باید هد (Head) مخصوص خواندن و نوشتن را طراحی کنیم، اما با این وجود مسیر مشخص است." ایشان همچنین عنوان کرده‌اند که چندین شرکت مختلف برای حمایت گروه تحقیق به منظور گسترش این فناوری اعلام آمادگی کرده‌اند. دانشگاه‌های بزرگی مانند هاروارد، برای انجام تحقیقات لازم بر روی این پروژه‌ها، زمان، منابع و نیروی فکری مورد نیاز را دارا می‌باشند. چیزی که صنعت معمولاً فاقد آن است. به گفته ایشان: "امروزه روند تبدیل یک اختراع به یک محصول تجاری بطور متوسط حدوداً ده سال زمان نیاز دارد و با اینکه این فناوری نیروی بالقوه زیادی دارد اما در مدت یک شب به ثمر نخواهد رسید." به گفته‌ی پروفسور Crozier، آن‌ها به تحقیق بیشتر، گسترش فعالیت‌های خود و در انتها فروش این محصول توسط یک شرکت بزرگ تجاری نیاز دارند.

ساختار لیزر نانوآنتن

لیزر نانوآنتن از یک آنتن نوری مصنوعی بر روی سطح لیزر (مکانی که در آنجا خروجی نور - light output وجود دارد) تشکیل شده است. آنتن نوری از دو مستطیل طلایی با گوشه‌های خمیده تشکیل شده است؛ که هر کدام از آن‌ها 130 نانومتر طول دارند و با فاصله‌ی 30 نانومتری از یکدیگر جدا شده‌اند. محققان برای ساخت لیزر نانوآنتن با تبخیر لایه‌ طلا، آن را مستقیماً به لیزر تبدیل می‌کنند. آن‌ها سپس به منظور شکل دادن آنتن، به کمک یک اشعه یونی متمرکز شده، برخی نواحی طلا را حذف می‌کنند.علت استفاده محققان از طلا برای ساخت آنتن این است که طلا در فرکانس‌های نوری، قابلیت هدایت بالایی دارد. علاوه بر این سطوح طلا نسبت به فلزهای دیگر، کمتر در معرض صدماتی چون شکنندگی و تیرگی قرار می‌گیرند. پروفسور Crozier می‌گوید: "طراحی آنتن، مخصوصاً اندازه‌ طول آن، با توجه به طول موج لیزر باید قابل تغییر باشد." ایشان می‌افزایند: "زمانی که نور لیزر، آنتن نوری را ساطع می‌کند، بارهای الکتریکی بر روی آنتن به دو جهت مخالف حرکت می‌کنند و بدین ترتیب در ناحیه‌ بین دو مستطیل ، بارهای ناهمنام در مقابل یکدیگر قرار می‌گیرند. بارهای ناهمنام باعث می‌شوند که آنتن، نور لیزر را بشدت در یک نقطه متمرکز کند. محققان دانشگاه هاروارد اندازه‌ این نقطه را 40 در 100 نانومتر اعلام کرده‌اند. این در حالی است که بدون استفاده از آنتن نوری قطر این نقطه (به شکل دایره) 400 نانومتر خواهد بود. حتی ممکن است محققان شکل آنتن را به شکلی مانند کروات تغییر دهند.

پروفسور Crozier می‌گوید: "ما انتظار داریم که طراحی کروات شکل، نقطه‌ی کوچکتری را تولید کند. به علاوه ما نقاط نورانی را در فواصل دورتر از لبه‌های آنتن مشاهده کردیم که البته شدت روشنایی نقاط موجود در فاصله‌ دو مستطیل را ندارند و قصد داریم توسط این طراحی جدید سایر نقاط نورانی را از بین ببریم." محققان دانشگاه هاروارد هنوز توانایی فناوری نانوآنتن را برای ذخیره‌ اطلاعات در دیسک‌های نوری نشان نداده‌اند. اما با این وجود تحقیقات آن‌ها نشان می‌دهد که این پروژه با اصلاحات مناسبی، عملی خواهد شد. در زمان معرفی فناوری نانوآنتن در اواخر سال 2006، پروفسور Crozier عنوان کرد که: "محققان از یک لیزر مادون قرمز با طول موج 830 نانومتر استفاده کردند. اما بطور کلی آنتن با هر لیزری سازگاری دارد." با این وجود به گفته‌ پروفسور Capasso و Crozier، آن‌ها برای استفاده از فناوری نانوآنتن بر روی دیسک نوری، نیاز به ابزار ذخیره‌سازی (Storage medium) پیشرفته‌تری دارند تا لیزر بتواند در فاصله‌ 10 تا 20 نانومتری بالای سطح دیسک نوری بلغزد(محققان بدلیل نزدیک بودن لیزر به سطح حافظه نوری، معمولاً این پدیده را «فناوری حافظه نوری near-field» می‌نامند).

پروفسور Crozier می‌گوید: "اگر استفاده از فناوری لیزر نانوآنتن در دیسک‌های نوری عملی شود، انتظار دارم که بتوان از دیسک‌هایی با مواد اولیه مشابه سی‌دی‌ها و DVDها استفاده کرد. اما با این وجود طراحی دیسک‌ها نیازمند تغییر است. زیرا سطح دیسک نوری باید به لیزر نانوآنتن بسیار نزدیک باشد تا لیزر نانوآنتن، نور را در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز کند. در غیر اینصورت اشعه‌های نور پخش می‌شوند." در عین حال این مسئله نیاز به تحقیق و بررسی مختص به خود را دارد. اما پروفسور Capasso مطمئن است که محققان موفق خواهند شد و می‌گوید: "ما مجبور هستیم که لیزر را در فاصله 10 نانومتری از سطح دیسک قرار دهیم و از فناوری near-field استفاده کنیم. چگونگی انجام این کار را از فناوری هارد دیسك آموخته‌ایم . در هارد دیسك ، هد خواندن و نوشتن، فاصله بسیار كمی با سطح دیسك دارد و به دلیل گردش سریع دیسك، هد بر روی بالشتكی از هوا قرار دارد.

 

نانوآنتن‌های امنیتی

چندی قبل یک تیم بین‌المللی از محققان موفق به ابداع نوع جدیدی از نانوآنتن‌ها شده بودند که این امید را به‌وجود آورد که روزی بتوان از این نانوآنتن‌ها در کاربردهای امنیتی برای تشخیص داروها و مواد تشعشع‌زا استفاده شود. چگونگی عملکرد این نانوآنتن‌ها همانند آنتن‌های متداول و معمولی است با این تفاوت که به جای جمع‌آوری امواج رادیویی نور را جمع‌آوری می‌کنند و میلیون‌ها بار کوچک‌تر از آنتن‌های معمولی هستند. این نانوآنتن‌ها به این دلیل ممتاز و بی‌نظیر هستند که از یک الگوی تکرار‌شونده تشکیل شده‌اند که از کنار هم قرار گرفتن این الگوها ساختارهای بزرگ‌تر شکل می‌گیرند. این روش نوین به این معنی است که نانوآنتن‌های ساخته‌شده با این روش را می‌توان در ابعاد بسیار کوچک یا در ابعاد بزرگ‌تر تا اندازه یک تار موی انسان به کار برد.

فناوری نانوآنتن لیزری

این فناوری که تحت عنوان آنتن لیزری پلاسمونیک نیز نامیده می‌شود می‌تواند 5ترابایت داده را روی یک دیسک نوری در ابعاد مشابه یک سی‌دی یا دی‌وی‌دی ذخیره کند. در فناوری آنتن‌ نانو یک اشعه لیزر برای ایجاد یک نقطه‌ بسیار کوچک نور، متمرکز می‌شود و همین مسئله سبب می‌شود که هر بیت داده، روی یک دیسک نوری فضای کوچکی را اشغال کند. علاوه بر این می‌توان از این فناوری در ابزارهای دیگری مانند ذره‌بین‌ها و طیــف‌نماهای اسپگتروسکوپی لیزری استفاده کرد. محققان دانشگاه هاروارد اعلام کرده‌اند که این فناوری در ابتدای کار، به‌جای استفاده در حافظه‌های نوری بیشتر در این نوع دستگاه‌ها (ذره‌بین‌ها و طیــف‌نماهای اسپگتروسکوپی لیزری) مورد استفاده قرار بگیرد. اما نانو تکنولوژی‌ای که امروزه بسیار درباره آن شنیده می‌شود چیست و در چه زمینه‌هایی کاربرد دارد؟

 

فناوری نانو

فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود یک تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به‌کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی - عمدتا متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک - از خود نشان می‌دهند. نانو تکنولوژی می‌تواند به‌عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.

مواد نانو

مواد نانو قابلیت کنترل ساختار تشکیل‌دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد کوچک و کوچک‌تر، در اندازه‌های میکرو و نانو را دارند. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و کنترل شده‌ای تولید کنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملکردهای بسیار عالی به دست آوریم. تاکنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یک تعریف جامع می‌توان گفت که موادی در این گروه قرار می‌گیرند که یکی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر کوچک‌تر باشد. یکی از این گروه‌ها، لایه‌هاست. لایه‌ها یک بعدی هستند که در 2 بُعد دیگر توسعه می‌یابند؛ مانند فیلم‌های نازک و پوشش‌ها. برخی از قطعات کامپیوتر جزو این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است که دارای 2بعد هستند و در یک بعد دیگر گسترش می‌یابند و شامل لوله‌ها و سیم‌ها می‌شوند. گروه مواد سه‌بعدی در نانو، شامل ذرات، نقطه‌های کوانتومی (ذرات کوچک) و نظایر آنها می‌شوند. 2 ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروه‌ها متمایز می‌سازد که عبارت است از افزایش سطح مواد و تأثیرات کوانتومی. این عوامل می‌توانند باعث ایجاد تغییرات یا به‌وجود آمدن خواص ویژه‌ای مانند تأثیر در واکنش‌ها، مقاومت مکانیکی و مشخصه‌های ویژه الکتریکی در مواد نانو شوند. همان گونه که اندازه این مواد کاهش می‌یابد، تعداد بیشتری از اتم‌ها در سطح قرار خواهند گرفت.

در نتیجه مواد نانو با ذرات کوچک‌تر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگ‌تر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واکنش با آن ها می‌شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مکانیکی و الکترونیکی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات کریستال‌ها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مکانیکی بر آن می‌شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین کریستال‌ها، مقاومت مکانیکی آن به‌شدت افزایش می‌یابد. برای مثال فلز نیکل در مقیاس نانو، مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تأثیرات ازدیاد سطح، اثرات کوانتومی با کاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می‌شود؛ تغییر در خواص بصری، الکتریکی و جاذبه. همان‌گونه که بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه گروه، یک، دو و سه‌بعدی طبقه‌بندی شده‌اند.

 

 

مواد نانوی یک بعدی

این مواد شامل فیلم‌های بسیار نازک و سطوح مهندسی هستند و در ساخت ابزار الکتریکی و شیمیایی و مدارهای الکترونیکی ساده و مرکب کاربرد وسیعی دارند. امروزه کنترل ضخامت لایه‌ها تا اندازه یک اتم صورت می‌پذیرد و ساختار این لایه‌ها حتی در مواد پیچیده‌ای مانند روانکارها شناخته شده است. لایه‌های نانو که قطر آن ها به اندازه یک مولکول یا یک اتم است، در علوم شیمی کاربرد وسیعی دارند. یکی از کاربردهای این لایه‌ها ساخت سطوحی است که خود را بازسازی کنند.

مواد نانوی دوبعدی

به‌تازگی کاربرد مواد نانوی دو‌بعدی در تولید سیم و لوله‌ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به‌دلیل وجود خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی به‌خود جلب کرده است.