آیا نانو تصاویر پنهان را آشکار می کند؟

به گزارش پایگاه خبری نگاه ایرانیان نیوز (ایونا ) به نقل از خبرگزاری فارس :  این نوآوری با بهره‌گیری از برهم‌کنش‌های نوری کایرال (chiral) یا «دست‌سان» و طراحی پیشرفته‌ای از ساختار‌های نانومتری، مسیر تازه‌ای را برای کاربرد‌های امنیتی، زیستی و کوانتومی گشوده است. راز تصاویر پنهان در نور پیچ‌خورده پایه این فناوری مفهومی بنیادی در علم موسوم به «کایرالیته» یا «دست‌سانی» است؛ پدیده‌ای که در آن، اشیایی مانند دست چپ و راست، در ظاهر مشابه‌اند، اما تصویر آینه‌ای یکدیگرند و به‌راحتی قابل انطباق نیستند.

این ویژگی در بسیاری از پدیده‌های زیستی و شیمیایی نیز دیده می‌شود؛ برای مثال مولکول‌های قند و DNA در طبیعت عمدتاً راست‌دست هستند، در حالی که اغلب اسید‌های آمینه چپ‌دست‌اند. تغییر در جهت‌گیری چنین مولکول‌هایی می‌تواند عملکرد آنها را مختل کرده، یک ماده مفید را به ترکیبی بی‌اثر یا حتی سمی تبدیل کند. نور نیز می‌تواند نوعی «دست‌سانی» داشته باشد. در نور قطبیده دایره‌ای، میدان الکتریکی نور در حین حرکت به جلو، به‌صورت مارپیچی به چپ یا راست می‌چرخد. مواد کایرال بسته به نوع قطبش نوری، واکنش‌های متفاوتی نشان می‌دهند؛ از جمله جذب، بازتاب یا تاخیر در عبور نور. اما این برهم‌کنش‌ها بسیار ظریف‌اند و کنترل دقیق آنها تاکنون یک چالش علمی جدی بوده است.

مهندسی کایرالیته با فرامواد نوری

اکنون پژوهشگرانی از آزمایشگاه سامانه‌های بیوفوتونیک در دانشکده مهندسی دانشگاه EPFL سوئیس با همکاری دانشمندانی از استرالیا، موفق به طراحی نوعی فراماده نوری دوبعدی (متاسرفیس) شده‌اند که می‌تواند به‌صورت دقیق با نور قطبیده برهم‌کنش داشته باشد. این ساختار متشکل از شبکه‌ای منظم از نانو‌المان‌ها (یا «متا-اتم‌ها») است که با تغییر جهت‌گیری آنها در شبکه، می‌توان واکنش نوری کل ساختار را تنظیم کرد.

هتیجه آلتوغ، مدیر این آزمایشگاه، می‌گوید: ابزار طراحی کایرال ما بسیار ساده و در عین حال مؤثرتر از روش‌های پیشین است. برخلاف روش‌هایی که سعی می‌کردند با اشکال بسیار پیچیده، نور را مهار کنند، ما از رابطه بین شکل متا-اتم و تقارن شبکه بهره برده‌ایم.

این دستاورد علمی که نتایج آن در نشریه معتبر Nature Communications منتشر شده، زمینه‌ساز پیشرفت‌هایی در رمزگذاری داده، حسگر‌های زیستی و فناوری‌های کوانتومی خواهد بود.

یک تصویر برای هر نوع نور

در نمونه آزمایشی تیم تحقیقاتی موفق شد دو تصویر مجزا را به‌طور همزمان روی یک متاسرفیس رمزگذاری کند؛ ساختاری از جنس ژرمانیوم و کلسیم دی‌فلورید که به‌گونه‌ای طراحی شده که پاسخ نوری‌اش با تغییر قطبش نور تغییر می‌کند.

در این آزمایش، تصویر اول که یک طوطی سفید استرالیایی بود، با استفاده از اندازه متا-اتم‌ها – به‌عنوان پیکسل‌های تصویر – رمزگذاری و با نور بدون قطبش قابل مشاهده بود. تصویر دوم که نمایی از کوه مشهور ماترهورن سوئیس را نشان می‌داد، تنها با نور قطبیده دایره‌ای قابل مشاهده بود، زیرا در آن از جهت‌گیری خاص متا-اتم‌ها برای رمزگذاری استفاده شده بود.

آینده‌ای برای امنیت، زیست‌فناوری و فناوری کوانتومی

ایوان سینف، یکی از اعضای تیم تحقیق، در این باره می‌گوید: «این آزمایش توانایی ما را در ایجاد واترمارک نوری دو‌لایه و نامرئی به اثبات رساند؛ فناوری‌ای که می‌تواند در حوزه‌های ضدجعل، استتار نوری و کاربرد‌های امنیتی تحول‌آفرین باشد.»

کاربرد‌های بالقوه این فناوری فقط به امنیت محدود نمی‌شود. در بسیاری از سیستم‌های کوانتومی نیز از نور قطبیده برای انجام محاسبات بهره گرفته می‌شود. طراحی متاسرفیس‌هایی با پاسخ کایرال قابل‌تنظیم می‌تواند این فناوری‌ها را نیز تسهیل کند.

سنجش کایرال برای کاربرد‌های زیستی

از دیگر کاربرد‌های این فراماده، شناسایی ترکیب یا خلوص دارو‌ها از طریق نمونه‌های بسیار کوچک است. فلیکس ریختر، دیگر پژوهشگر این تیم، توضیح می‌دهد: جهان طبیعت ذاتاً کایرال است. توانایی تشخیص تفاوت میان مولکول‌های چپ‌دست و راست‌دست می‌تواند در برخی موارد تفاوت میان دارو و سم باشد. متاساختار‌های کایرال مانند نمونه ما، راه را برای توسعه حسگر‌های دقیق زیستی هموار می‌کنند.

خبرنگار : نوذری