التصنيف: كيف تعمل الأشياء

تشهد أيامنا هذه تقاربا بين العلماء لم يسبق له مثيل لدراسة عالم متناهي في الصغر، لا نستطيع ان نراه حتى باستخدام أجهزة الميكروسكوب الضوئي. هذا العلم هو النانوتكنولوجي، انه عالم الذرات والتراكيب النانوية. النانوتكنولوجي علم جديد ولا احد يعلم ما سوف يترتب عليه. وبالرغم من ذلك، فان التوقعات تتراوح بين القدرة على انتتاج أشياء مثل الماس والمواد الغذائية وحتى الروبوتات النانوية.

من اجل فهم علم النانوتكنولوجي الغير اعتيادي، نحن بحاجة إلى معرفة الوحدات المستخدمة في قياس وتحديد أبعاد هذا العالم. السنتيمتر هو 1/100 من المتر، والمليمتر هو 1/1000 من المتر، والميكرومتر هو 1/1000,000 من المتر ولكن كل هذه المقاييس لا تزال كبيرة جدا بالمقارنة مع مقياس النانو. النانومتر والذي يرمز له بأول حرفين بالإنجليزية nm هو 1/1000,000,000 أي واحد في المليار من المتر، وهي اصغر من طول موجة الضوء المرئي واقل بمائة الف مرة من سمك شعرة الإنسان. وبقدرة الله عز وجل نجد ان كل شيء قد صنع في احسن صورة على مستوى جزيئي. على سبيل المثال أجسادنا هي تجميع من ملايين الخلايا الحية. يمكن تشبيه هذه الخلايا الحية بالآلات النانوية الطبيعية. وعلى المقياس النانوي يمكن ان نضع هذه الذرات مع بعض لبناء أي شيء.

في محاضرة بعنوان عجائب الدنيا الصغيرة: علم النانو (Small Wonders: The World of Nanoscience) قال الدكتور Horst Störmer الحائز على جائزة نوبل ان المقياس النانوي اكثر أهمية من المقياس الذري لان المقياس النانو هو أول نقطة منها تستطيع ان تبدأ بتجميع شيء ما— أي إنها بداية وضع الذرات مع بعض حتى نحصل على شيء مفيد.

في هذا الموضوع من سلسلة كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بتوضيح ماذا تعني النانوتكنولوجي اليوم؟ وما هو مستقبلها؟ وسوف نقوم أيضا بالتحدث عن المخاطر المحتملة التي قد تحدث بالعمل على مقياس نانوي.

عالم النانوتكونولوجي

يختلف الخبراء في بعض الأحيان حول مكونات المقياس النانوي، ولكن بصفة عامة، يمكنك ان تفكر في تكنولوجيا النانو على انها تتعامل مع أي شيء يقاس في حدود بين 1 و100 nm. واكبر من هذه الحدود تصبح في مقياس الميكرون واقل منها يكون في المقياس الذري.

بسرعة اصبحت النانوتكنولجي وسط متعدد التخصصات، فالفيزيائيون والكيميائيون والبيولوجيون والمهندسون كلهم اجتمعوا لدراسة المادة على المقياس النانوي. يتوقع الدكتور Störmer ان التخصصات المختلفة سوف تطور لغة مشتركة للتواصل بين مختلف التخصصات. عندها فقط يمكن ان ندرس النانوتكنولجي بفاعلية لأنك لن تستطيع فهم عالم النانوتكنولجي بدون خلفية متينة في مختلف العلوم.

من الجوانب المثيرة في علم النانوتكنولجي هو الدور الذي تلعبه ميكانيكا الكم. قواعد ميكانيكا الكم تختلف كثيرا عن الفيزياء الكلاسيكية، وهذا يعني ان سلوك المادة على المقياس النانوي يمكن ان يتناقض في الكثير من الأحيان مع المفاهيم التقليدية التي نتعامل بها في حياتنا اليومية. فمثلا ليس باستطاعة احد ان يمشي في اتجاه جدار وفجأْة ينتقل إلى الجانب الأخر منه (teleport)، ولكن في المقياس النانوي فان الالكترون يمكنه ان يفعل ذلك – وهذا ما يعرف بالنفق الإلكتروني electron tunneling. المواد العازلة هي تلك المواد التي لا تحمل شحنة كهربية، قد تصبح في الحالة الصلبة مواد شبه موصلة عند المقياس النانوي. نقاط الذوبان للمواد يمكنها ان تتغير نتيجة لزيادة المساحة السطحية. تذكر عزيزي القارئ ان تنسى ما تعرفه عندما تدخل في علم النانوتكنولوجي وان تبدأ تعلم كل شيء من جديد 

اذا ماذا يعني كل هذا؟ في هذه اللحظة، كل العلماء يجرون الأبحاث والتجارب على المواد على المقياس النانوي ليتعلموا خواص المواد وكيف يمكن ان نستفيد من المزايا والخصائص الجديدة في تطبيقات متنوعة. يحاول المهندسون استخدام الأسلاك النانوية لصناعة معالجات كمبيوتر اصغر واصغر واكثر قوة وقدرة. أما الأطباء فيبحثون عن طرق تستخدم جسيمات النانو في التطبيقات الطبية. لازال أمامنا طريقا طويلة لنسلكه قبل ان تصبح النانوتكنولجي هي العامل المسيطر في التكنولوجيا والتطبيقات الطبية.

في الجزء التالي من المقال سوف ننظر إلى اهم تركيبين نانويين وهما الأسلاك النانوية وأنابيب الكربون النانوية.

انه عالم صغير بعد كل ­شيء

على المقياس النانوي، تكون الأجسام صغيرة جدا لا يمكن ان نراها حتى باستخدام الميكروسكوب الضوئي. علماء النانو استخدموا الميكروسكوب النفقي الماسح scanning tunneling microscopes أو ميكروسكوب القوى الذرية atomic force microscope لمراقبة أي شيء على المقياس النانوي. يستخدم الميكروسكوب النفقي الماسح تيار كهربي ضعيف كمجس لمسح سطح المادة. أما ميكروسكوب القوى الذرية فانه يمسح السطح بمجس دقيق جدا. كلا الميكروسكوبيين يرسل بياناته إلى جهاز الكمبيوتر، والذي يقوم بدوره في تجميع المعلومات ويعرضها بشكل جرافيكي على الشاشة.

الأسلاك النانوية وأنابيب الكربون النانوية Nanowires and Carbon Nanotubes

حاليا، عثر العلماء على تركبين من اهم التراكيب النانوية والتي لها اهتمام خاص: الأسلاك النانوية nanowires وأنابيب الكربون النانوية carbon nanotubes. الأسلاك النانوية هي أسلاك بقطر صغير جدا، وفي بعض الأحيان يصل قطرها إلى 1 nm. يتوقع العلماء استخدام هذه الأسلاك النانوية في بناء ترانزستورات دقيقة لرقائق الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى. في السنتين الماضيتين غطت أنابيب الكربون النانوية على الأسلاك النانوية. ولكن لازال العلماء يدرسون هذين التركيبين اكثر وقد توصلوا لنتائج مهمة جدا في هذه المرحلة.

أنابيب الكربون النانوية هي عبارة عن أنابيب أسطوانية بحجم النانو من ذرات الكربون. تخيل شريحة من ذرات الكربون، تبدو الشريحة مثل شريحة من الأشكال السداسية. اذا قمت بلف الشريحة على شكل أنبوبة، فانك سوف تحصل على أنبوبة كربون نانوية. تعتمد خواص أنابيب الكربون النانوية على كيف تقوم بلف الشريحة. وبمعنى اخر، بالرغم من ان جميع أنابيب الكربون النانوية مصنوعة من الكربون إلا إنها مختلفة جدا عن بعضها البعض بالاعتماد على كيف تترتب ذرات الكربون.

عند الوصول للترتيب الصحيح للذرات، فانك تحصل على أنبوبة كربون نانوية اقوى بمئات المرات من الحديد، واقل بستة مرات وزنا. يخطط المهندسون بناء مواد من أنابيب الكربون النانوية مخصصة لصناعة السيارات والطائرات. فسيارات خفيفة تعني استهلاك وقود اقل وزيادة متانة جسم السيارة يعني زيادة أمان ركاب السيارة وسائقها.

أنابيب الكربون تلعب دورا فعالا كمواد شبه موصلة اذا تم الحصول على الترتيب الصحيح للذرات. ولا يزال العلماء يعملون على إيجاد طرق صناعة أنابيب كربون نانوية لتستخدم في تصنيع ترانزستورات معالجات الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى.

في الجزء التالي من المقال سوف ننظر للمنتجات التي قد تستفيد من مزايا النانوتكنولوجي

الجرافيت مقابل الماس Graphite vs. Diamonds

ما الفرق بين الجرافيت والماس؟ كلا المادتين مصنوعتين من الكربون، ولكن كلا منهما تمتلك خواص مختلفة تماما عن الأخرى. الجرافيت ناعم والماس قاسي. الجرافيت يوصل التيار الكهربي ولكن الماس عازل ولا يمكن ان يوصل التيار الكهربي. الجرافيت معتم ولكن الماس شفاف. الجرافيت والماس يمتلكان هذه الخواص بسبب طريقة ارتباط ذرات الكربون مع بعضها البعض على المقياس النانوي.

منتجات بتقنية النانوتكنولوجي

قد تدهش من كم المنتجات المتواجدة في الأسواق والتي استفادت من مزايا النانوتكنولجي.

واقي الشمس sunscreen – الكثير من مستحضرات الواقي الشمسي تحتوي على جسيمات نانوية من أكسيد الزنك أو أكسيد التيتانيوم. المركبات القديمة لواقي الشمس استخدمت جسيمات كبيرة، وهذا ما أعطاها اللون الأبيض. أما الجسيمات الأصغر فهي غير مرئية بمعنى عندما تضعها على الجلد فلن تعطي اللون الأبيض.

زجاج ذاتي التنظيف self-cleaning glass – تعرض شركة Pilkington منتج يعرف باسم Activ Glass، يستخدم جسيمات نانوية تجعل من الزجاج محفز ضوئيا photocatalytic ومحب للماء hydrophilic. تأثير التحفيز الضوئي يعني انه عندما يسقط الضوء فوق البنفسجي على الزجاج، فان جسميات النانو تصبح نشطة وتبدأ في تكثير الجزيئيات العضوية على الزجاج (الأوساخ والغبار). والمحب للماء يعني ان عندما يسقط الماء على السطح فانه ينتشر على الزجاج بالكامل وهذا يساعد على تنظيف الزجاج ولا يتجمع الماء عليه على شكل قطرات.

الملابس clothing – يستخدم العلماء الجسيمات النانوية لتعزيز الملابس. من خلال طلاء الأقمشة بطبقة رقيقة من جسيمات أكسيد الزنك النانوية، وبالتالي يمكن صناعة ملابس بدرجة اعلى للوقاية من الأشعة فوق البنفسجية الحارقة. بعض الملابس تحتوي على جسيمات نانوية في شكل شعيرات دقيقة تعمل على جعل الملابس مضادة للماء.

طلاء مقاوم الخدش scratch-resistant coating – اكتشف المهندسون ان إضافة جسيمات نانوية من سلكيات الألومنيوم لطلاء بوليمر مقاوم الخدش يجعل الطلاء اكثر فعالية واكثر مقاومة للخدش. وهذا الطلاء مهم في الكثير من التطبيقات من السيارات وحتى العدسات اللاصقة.

ضمادات مضادة للميكروبات antimicrobial bandages – ابتكر العالم Robert Burrell عملية لتصنيع ضمادات مضادة للبكتيريا باستخدام جسيمات نانوية من الفضة. أيونات الفضة تمنع امتصاص الخلايا للبكتيريا. بمعنى ان الفضة تقتل الخلايا الضارة.

المنتجات الجديدة التي تدخل فيها النانوتكنولجي متجددة كل يوم. فهناك الأقمشة المقاومة للتجعد، والمستحضرات ذات النفاذية العميقة، وشاشات البلورات السائلة LCD وغيرها من وسائل الرفاهية والراحة التي تستخدم النانوتكنولجي والمتوفرة في الأسواق. ومن المتوقع انه خلال فترة قريبة، سوف نرى الكثير من المنتجات التي تستفيد من مزايا النانوتكنولجي من معالجات انتل والبطاريات البيولوجية النانوية ومكثفات بسمك نانومتر. في حين ان هذا الأمر مثير حقا إلا ان المثير اكثر هو ان هذا جزء يسير جدا من بعض التطبيقات التي قد تؤثر علي حياتنا في المستقبل.

في الجزء التالي من المقال سوف ننظر إلى بعض الأشياء المدهشة التي يمكن ان تنتج بالنانوتكنولجي.

التنس والنانوتكنولجي

أثرت النانوتكنولجي تأثيرا كبيرا في عالم التنس. ففي العام 2002 شركة تصنيع مضرب التنس Babolat قدمت مضرب مدعم بأنابيب الكربون النانوية. لقد قاموا بصناعة المضرب من أنابيب الكربون النانوية المصهورة بالجرافيت، حيث كان المضرب خفيف جدا، واقوى بمرات عدة من الحديد. في حين ان مصنع كرات التنس Wilson قدم كرة تنس مزدوجة القالب. هذه الكرات مغطاة بطبقة من الجسيمات النانوية على القلب الداخلي لها. بحيث تمنع هذه الطبقة من تسرب الهواء من الكرة.

مستقبل النانوتكنوجي

في عالم ستار تريك شاهدنا آلات تعرف باسم الناسخات replicators تقوم باستنساخ أي شيء مادي، من الأسلحة وحتى فناجين الشاي، اعتبرت الناسخات على مدى طويل بانها ضرب من ضروب الخيال العلمي إلا ان بعض العلماء يعتقدون بإمكانية تصنيعها. وتعرف باسم المصنع الجزيئي molecular manufacturing، واذا ما أصبحت في يوم من الأيام متوفرة حقيقة فان العالم سيتغير بشكل جذري.

ترتص الذرات والجزيئات مع بعضها البعض لأنها تمتلك أشكال متوافقة تجعلها متراصة مع بعضها البعض أو من خلال الشحنة التي تجذبها. مثل ما يحدث مع المغناطيسات، الذرات المشحونة بشحنة موجبة سوف ترتبط مع الذرات المشحونة بشحنة سالبة. ملايين من هذه الذرات يتم ترتيبها مع بعضها البعض في قطع بواسطة آلات نانوية، ومن ثم يبدأ إنتاج أشكال محددة. الهدف من الصناعة الجزيئية هو التلاعب بالذرات بشكل منفرد ووضع كل ذرة في شكل محدد بحيث نستطيع إنتاج التركيب المطلوب.

الخطوة الأولى هو تطوير آلات نانوية تعرف باسم المجمعات assembler، بحيث يتمكن العلماء من برمجتها للتحكم بالذرات والجزيئات. في جامعة ريس تمكن البروفيسور Richard Smalley من إثبات انه يتطلب ملايين من السنوات لتتمكن آلة نانوية من تجميع كمية مفيدة من المادة. ولكي تكون الصناعة الجزيئية ذات فائدة عملية فإننا نحتاج إلى مليارات من المجمعات تعمل مع بعضها البعض في نفس اللحظة. يعتقد العالم Eric Drexler ان المجمعات تعمل في البداية باستنساخ انفسها لتزيد عدد المجمعات العاملات. وكل جيل من المجمعات سيقوم ببناء جيل آخر، مما ينتج عنه نمو متزايد حتى نصل للمجمعات المطلوبة لإنتاج جسم ما.

قد تحتوي المجمعات على أجزاء متحركة مثل التروس النانوية

مليارات من المجمعات والمستنسخات قد تشغل حيز صغير لا يتعدى مليميتر مكعب، وقد لا يزال اصغر بكثير من ان يرى بالعين المجردة. تعمل المجمعات والمستنسخات مع بعضها البعض بشكل أوتوماتيكي لبناء منتج، وفي النهاية قد تستبدل هذه الطريقة كل طرق التصنيع المعروفة. هذا بالتأكيد سوف يقلل تكلفة التصنيع وتجعل المنتجات اقل تكلفة للمستهلك واكثر قوة ومتانة. بمعنى انه يمكننا ان نستبدل كل شيء حتى الماس والماء والطعام. وبهذا تنتهي مشكلة المجاعة في العالم.

التأثير الأكبر للنانوتكنولجي في مجال الصناعة الطبية. المريض يشرب سائل يحتوي على جسيمات نانوية مبرمجة للهجوم على الخلايا السرطانية والفيروسات. كما ان هناك حديث حول ان الروبوتات النانوية قد يكون لها اثر على إبطاء أو عكس عملية الشيخوخة وزيادة متوسط العمر بشكل ملحوظ. كما ان الروبوتات النانوية تبرمج للقيام بعمليات جراحية معقدة – مثل الجراحة النانوية التي تستطيع العمل على مستوى أدق بألاف المرات من أدق أداة جراحة معروفة. بالعمل على المقياس النانوي فان الروبوتات النانوية قد تعمل بدون ان تترك أي أثار خلفها. بالإضافة إلى أنها قد تعمل على تغير مظهرك الخارجي، فيمكن برمجتها للقيام بعمليات تجميل من خلال إعادة ترتيب الذرات لتغير لون العين مثلا او شكل الأنف أو الأذن أو أي جزء ترغب في تعديله.

النانوتكنولجي لها أثار إيجابية على البيئة. على سبيل المثال يمكن ان يقوم العلماء ببرمجة طائرات روبوتية نانوية لإعادة بناء طبقة الأوزون. ويمكنها أيضا ان تقوم بالتخلص من الملوثات في مصادر المياه. صناعة المواد باستخدام طريقة البناء من الأسفل للأعلى يمكن من خلالها بناء مصانع تنتج تلوث اقل من المصانع التقليدية. كما انه بالنانوتكنولجي يمكن التخلص من الحاجة المستمرة للطاقة فيصبح لا داعي لقطع الأشجار أو البحث عن الفحم والنفط.

الكثير من خبراء النانوتكنولجي يشعرون بان هذه التطبيقات خارج نطاق الممكن، على الأقل على المستقبل القريب. حذرون من ان الكثير من التطبيقات المثيرة قد لا تتحقق وتبقى مجرد نظريات. بعض القلق ان النانوتكنولجي سوف تؤول لمجرد علم خيالي بمعنى ان الهالة المثارة حول النانوتكنولجي سوف تستمر بالتزايد حتى تصبح المعيقات لهذا المجال معرفة عامة ويختفي عنده كل اثارة واهتمام.

في الجزء التالي سوف ننظر لبعض تحديات ومخاطر النانوتكنولجي.

كم هي حديثة تقنية النانوتكنولجي؟

في العام 1959 قدم العالم الفيزيائي رتشارد فينمان Richard Feynman الحاصل على جائزة نوبل محاضرة لجمعة الفيزيائيين الأمريكية بعنوان هناك الكثير من المتسع في الأسفل There’s Plenty of Room at the Bottom. لقد ركز في حديثه على ما يعتقد انه من الممكن ان نصنع أجهزة قوية وصغيرة جدا

في العام 1986 كتب العالم Eric Drexler هندسة الابتكار Engines of Creation وقدم مصطلح النانوتكنولجي. توسعت الأبحاث العلمية على مدار العقود الأخيرة. المخترعون والمؤسسات ليسوا بعيدون عن عصر النانوتكنولجي فهناك اليوم اكثر من 13000 براءة اختراع مسجلة في مكتب الاختراعات بالولايات المتحدة الأمريكية وكلها تحتوى على كلمة نانو.

تحديات ومخاطر النانوتكنولجي

التحدي الأعظم في النانوتكنولجي هو اننا بحاجة لان نتعلم اكثر عن المواد وخواصها على المقياس النانوي. كثير من الجامعات والمؤسسات العلمية والشركات على مختلف أرجاء العالم تدرس بشغف كيف تنسجم الذرات مع بعضها البعض لتكوين تراكيب اكبر. إننا لازلنا في مرحلة تعلم كيف تؤثر ميكانيكا الكم على المواد عند المقياس النانوي.

لان العناصر عند المقياس النانوي تتصرف بشكل مختلف عن حالة المادة الصلبة، فان هناك خشية من بعض الجسيمات النانوية التي قد تصبح خطرة. بعض الأطباء قلقون ان الجسيمات النانوية صغيرة جدا، بحيث إنها بسهولة قد تنفذ إلى حاجز الدماغ الدموي وهو الغشاء الذي يحمي الدماغ من المواد الكيميائية الضارة في مجرى الدم. اذا كنا نخطط لاستخدام الجسيمات النانوية لطلاء كل شيء من ملابس وحتى الشوارع، فإننا بحاجة إلى ان نتأكد من إنها لا تسممنا.

بالقرب من حاجز المعرفة هناك حاجز تكنولوجي ايضا. فلكي نحول ما نتوقعه من النانوتكنولجي إلى واقع ملموس، علينا ان نجد طرق لتصنيع منتجات نانوية مثل الترانزستورات والأسلاك النانوية. في حين اننا نستطيع استخدام الجسيمات النانوية لصناعة أشياء مثل مضرب التنس وملابس خالية من التجاعيد، فإننا لا نستطيع صناعة أشياء معقدة مثل رقائق معالجات الكمبيوتر والأسلاك النانوية حتى الأن.

هناك اهتمام مجتمعي كبير حول النانوتكنولجي، فباستخدام النانوتكنولجي يمكننا ان نصنع أجهزة قوية جدا. بعض المنظمات تخشى من ان السبيل الوحيد لفحص التأثير الأخلاقي للنانوتكنولجي في مجال الأسلحة هو بعد تصنيعها. ولذلك فهي تضع ضغوطات كبيرة على العلماء والسياسين بضرورة الفحص المتأني لكل إمكانيات النانوتكنولجي قبل تصميم المزيد من الأسلحة الفتاكة.

اذا كان مجال النانوتكنولجي يجعل بالامكان ان نعزز صحة البشر، فهل هذا أخلاقي؟ نظريا النانوتكنولجي قد تجعلنا اكثر ذكاء واكثر قوة وتزيد سرعة الشفاء من أي مرض وتمنحنا حتى قدرة الرؤية الليلية. هل علينا ان نستمر نحو تحقيق هذه المزايا؟ هل بعد ذلك نستطيع ان نطلق على انفسنا بشر، أو سنصبح بشر متحولون؟ هل هذه هي الخطوة التالية المتوقع في مسار التطور البشري؟ حيث ان بداية كل تكنولوجيا تكون مكلفة جدا، هل يعني ذلك إننا سوف نقسم العالم إلى فئتين فئة الأغنياء القادرين على إدخال التعديلات على انفسهم لانهم يملكون تكلفتها ونترك الفقراء يعانون اكثر؟ إننا لا نملك إجابات لكل هذه الأسئلة، ولكن الكثير من المنظمات تطلب من علماء النانو ان تأخذ كل هذه المواضيع في الحسبان قبل ان يكون ذلك متأخرا جدا.

ليست كل الأسئلة في هذا المجال تدخل في مجال تغير جسم الإنسان – بعضها له علاقة بالاقتصاد والمال. فاذا أصبحت الصناعة الجزيئية حقيقة، كيف سوف تؤثر على اقتصاد العالم؟ افترض إننا نستطيع بناء أي شيء نحتاجه بمجرد الضغط على زر، ماذا يحدث لكل الوظائف في المصانع؟ اذا كان باستطاعتنا ان نصنع أي شيء من خلال المستنسخات، ماذا سيحدث للعملة النقدية؟ هل ننتقل بالكامل لاقتصاد الكتروني؟ هل نحتاج عندها أي نقود.

سواء استطعنا الإجابة على هذه التساؤلات أو لا يبقى الموضوع مفتوحا للمناظرات. الكثير من الخبراء يعتقدون ان كل هذه المخاوف لا مجال لها وانها سابقة لأوانها بكثير وربما ليست ضرورية. حتى مع ذلك فان النانوتكنولجي سوف تستمر بالتأثير علينا كلما تعلمنا عنها اكثر.

العاطفة المهلكة

صاحب مصطلح النانوتكنولجي العالم Eric Drexler قدم رؤية مروعة حول الروبوتات النانوية ذات الوظائف المتعددة، حيث تعمل على استنساخ نفسها بلايين المرات بسرعة سوف تستنزف كامل العالم عندم تقوم بسحب ذرات الكربون من البيئة لبناء المزيد من انفسها. إنها تعرف باسم سيناريو grey gee حيث تستبدل أجهزة نانوية كل المواد العضوية. وهناك سيناريو اكثر رعبا وهو green goo حيث تعمل أجهزة نانوية على مسح كل المواد العضوية على وجه الأرض.

وفي النهاية أتمنى ان يكون الموضوع قد وضح بشكل مبسط وميسر تقنية النانوتكنولجي وماذا يتوقع منها والمخاطر والتحديات التي سوف تواجهنا، وانه لا يزال هناك الكثير من المعلومات بحاجة لدراسة وتوسع ولهذا نرى ان معظم المؤسسات البحثية والجامعات تعكف على دراسة المادة على المقياس النانو وكلما اكتشف خاصية جديدة تطورت أجهزة احدث ولازلنا على عتبة النانوتكنولجي بعد.

وإلى اللقاء مع موضوع اخر من سلسلة مواضيع كيف تعمل الأشياء

مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

 لمزيد من المعلومات

كيف تعمل النانوتكنولوجي 1

أنابيب الكربون النانوية في مجسات الكشف عن الغازات

ميكروسكوب القوة الذرية

الميكروسكوب النفقي الماسح

الميكروسكوب الالكتروني الماسح

الميكروسكوب الالكتروني النافذ

كيف يعمل التحفيز الضوئي

كثرت الشكوى حول الوقت الكبير الذي يقضيه الزبون وهو ينتظر دوره كي يصل الى المحاسب ليسدد ثمن ما اختاره من بضائع من السوبرماركت. وتدريجيا اختفت هذه الظاهرة مع استخدام الباركود او الترميز بالأعمدة Barcode والتي نراها على شكل خطوط سوداء متوازية ملصقة على كل السلع التجارية تقريبا. وهذه الخطوط تعتمد على تقنية Universal Product Code (UPC) والتي ساعدت كثيرا على اختصار الوقت وتسريع عملية حساب تكلفة ما قام الزبون بشرائه من المتجر عند تمرير السلعة على شعاع ليزر يقوم بقراءة هذه الخطوط ومقارنتها مع قاعدة بيانات للتعرف على السلعة وثمنها وبشكل سريع فلم يعد هناك انتظار لوقت طويل كما كان في السابق. ومع التقدم التقني والعلمي ظهرت تقنية جديدة تعرف باسم العنونة الذكية والتي تعرف ايضا التعرف بأمواج الراديو radio frequency identification والتي تعرف اكثر بالاختصار بتقنية RFID. عنونة RFID هي عبارة عن باركود ذكية يمكنها ان تتحدث مع انظمة شبكات لتعقب أي منتج تضعه في سلة مشترياتك.

تخيل انك ذاهب إلى متجر كبير وقمت باختيار ما تحتاجه من بضائع ووضعتها في السلة ومشيت بها خارج المتجر. هذا ما تقوم به هذه التقنية حيث لا يجب عليك ان تقف في أي طابور انتظار لتدفع ثمن ما اشتريته. ولكن بهذه التقنية فان رقائق RFID سوف تتصل بقارئ الكتروني يقوم برصد كل شيء  تضعه في سلة التسوق. يتصل القارئ الالكتروني بشبكة تواصل ترسل المعلومات حول المنتجات والبضائع التي اشتريتها الى المحاسب الالكتروني والذي بدوره يرسل الى حسابك البنكي قيمة ما يجب عليك ان تدفعه وبموافقتك المسبقة يتم خصم المبلغ من حسابك لصالح حساب المتجر.

رقائق RFID  هي تقنية قد تستخدم لتتبع المواشي او لتتبع البضائع حول العالم. الكثير من المصنعين يستخدمون رقائق التتبع لمعرفة موقع كل منتج يصنعونه منذ لحظة انتاجه والتقاطه ووضعه في سلة المشتريات.

هذه التقنية ايضا تستخدم في تتبع السيارات والمسافرون والمرضى المصابين بالزهايمر والقطط وقريبا سوف تتبع هذه الرقائق ما تفضله من اطعمة او اجهزة او أي شيء. وتصاعدت الكثير من الانتقادات بان رقائق الـ RFID اصبحت تشكل جزء كبير من حياتنا بدون ان نعرف أي اجزاء من تفاصيل حياتنا يتم تتبعه.

في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نلقى نظرة على بعض انواع رقائق الـ RFID وكيف تقوم هذه الرقاقات بعملية التتبع. كما سوف نلقى نظرة حول استخدام هذه الرقاقات في التجسس وكذلك ما تأثير هذه الرقاقات على حياتنا.

فيديو يوضح فكرة عمل RFID

اعادة اختراع الباركود

تقريبا كل شيء نشتريه من البائعين مطبوع عليه باركود. تمثل الباركود اهمية كبيرة للمنتجين حيث انها تزودهم بمعلومات قيمة حول كمية المنتجات التي تم بيعها وفي بعض الاحيان معرفة الزبائن الذين قاموا بشراء تلك المنتجات. كما ان الباركود يعتبر بمثابة البصمات الصناعية التي يمكن للكمبيوتر قراءتها لأنها كتبت بالأرقام الثنائية binary code (0,1).

ابتكرت الباركود في العام 1970 وذلك لتسريع عملية دفع ثمن المشتريات ولكن الباركود لها بعض العيوب ومنها:

(1) لتحديث بيانات كل مخزن يجب على الشركات مسح كل باركود موجود على كل علبة او سلعة.

(2) تحديد ومعرفة ثمن المشتريات يتطلب مسح كل سلعة بواسطة قارئ الليزر وهذه العملية مهما بلغت سرعتها الا انها تحتاج إلى وقت وخصوصا اذا كانت سلة المشتريات ممتلئة.

(3) تقنية الباركود هي تقنية قراءة فقط أي انها لا يمكن ان ترسل أي معلومات.

(4) قلة المعلومات التي يمكن تخزينها وعدم قابلية اعادة برمجتها.

(5) عدم امكانية قراءة اكثر من باركود في نفس الوقت وعدم امكانية اعطاء رقم مستقل لكل سلعة وانما يعطى رمز واحد لكل السلع من نفس النوع.

الرقاقات الالكترونية التي تعمل بأمواج الراديو RFID هي تطور لحل عيوب الباركود حيث انها رقاقات تمتلك قدرة القراءة والكتابة. كما يمكن تغبير المعلومات المخزنة في رقائق الـ RFID وتحديثها. استخدم الكثير من المتاجر هذه الرقاقات الالكترونية لتتبع منتجاتهم ومعرفة محتويات المخازن والتعرف على توجهات السوق ومتطلباته. من خلال الرقائق الالكترونية RFID يمكن للمتجر ان يعرف بسرعة المنتجات التي تباع ومن هم الذين يشترونها.

بالإضافة الى استخدام رقاقات FRID في السلع والمنتوجات اصبحت الان تستخدم مع الاجهزة المتنقلة مثل بطاقات المرور من خلال بوابات الطريق السريع. وهذا يجعل من عملية المرور من خلال البوابات سريعا ولا يتطلب الوقوف للحصول على تذكرة للمرور وهنا تستخدم رقاقة الـ FRID كبطاقة دفع مسبق.

رقاقات FRID في الماضي والحاضر.

تكنولوجيا رقاقات RFID معروفة منذ 1970، ولكنها كان مكلفة جدا للاستخدام على نطاق واسع. فقد استخدمت هذه الرقائق سابقا لتتبع اشياء كبيرة مثل الابقار والسيارات وحقائب السفر لمسافات طويلة، هذه الرقاقات عرفت باسم رقائق  الحث المزدوج inductively coupled RFID tags، والتي تتكون من نظام معقد يحتوي على ملف معدني وانتينا وزجاج.

رقاقة RFID ذات الحث المزدوج inductively coupled RFID tags

رقاقة RFID التي تعمل بالحث المزدوج تشغل بواسطة المجال المغناطيسي المتولد عن رادار RFID. فكما نعلم ان التيار الكهربي يمتلك مركبة كهربية واخرى مغناطيسية أي انها كهرومغناطيسية. وبالتالي يمكن انتاج مجال مغناطيسي بالكهرباء ويمكن توليد كهرباء بالمجال المغناطيسي (سبق ان خصص موضوع مستقل يشرح هذا في موضوع كيف يعمل الدينامو). مصطلح الحث المزدوج جاء من هذه العلاقة بين المجال الكهربي والمجال المغناطيسي حيث ان المجال المغناطيسي يستحث تيارا كهربيا في اسلاك الملف.

رقائق RFID انتجت في 1999 واستخدمت لتعقب حقائب السفر.

رقاقة RFID السعوية Capacitively coupled tags

انتجت هذه الرقاقات كمحاولة لتقليل تكلفتها الباهظة جدا ولاستخدامها كرقائق تستخدم مرة واحدة ويمكن التخلص منها بعد ان تقوم بعملها. يستخدم هذا النوع من الرقائق حبرا كربونيا موصلا بدلا من الملف المعدني لارسال البيانات. يطبع الحبر على ورق عنونة وله قارئ ماسح خاص. تم تصنيع هذه الرقائق من قبل شركة موترولا Motorola عرفت باسم Motorola’s BiStatix RFID  وقد استخدموا رقائق سليكونية عرضها 3 mm ويمكن ان تخزن ما يعادل 96 bits من المعلومات. الا ان هذه التقنية لم تنتشر وتوقف انتاجها في العام 2001.

وتجدر الاشارة هنا الى ان رقاقتي RFID ذات الحث المزدوج او السعوية لم تعدا تستخدما لتكلفتهما الباهظة وحجمهما الكبير نسبيا. وسوف نتحدث الان عن النوع الحديث المستخدم حاليا.

رقاقات RFID النشطة والشبه سلبية والسلبية Active, Semi-passive and Passive RFID Tags

اختراعات احدث في مجال رقاقات RFID شملت رقاقات سلبية  active وشبه سلبية semi-active وايجابية passive. هذه الرقاقات يمكن تخزن ما يقارب من 2 kbyte من المعلومات وتتكون من شريحة الكترونية وانتينا وفي النوع شبه سلبي semi-passive يوجد بطارية. تجمع هذه المكونات في داخل شريحة بلاستيكية او في بعض الاحيان في زجاج.

تقريبا فكرة عمل الانواع الثلاثة تلك هي واحدة وهي على النحو التالي:

(1) تنتظر المعلومات المخزنة على شريحة RFID حتى يقرأ.

(2) تستقبل انتينا شريحة RFID الطاقة الكهرومغناطيسية من انتينا قارئ RFID.

(3) باستخدام الطاقة الكهربية من البطارية او من الطاقة الصادرة عن القارئ في صورة امواج كهرومغناطيسية، تقوم رقاقة RFID بإرسال امواج راديو إلى القارئ.

(4) يلتقط القارئ امواج الراديو ويحول تردداتها الى معلومات مفيدة.

النوع النشط او الشبه سلبي من رقاقات RFID يستخدم بطاريات داخلية لتشغيله، حيث ان الرقاقة النشطة Active RFID تحتاج البطارية لارسال امواج الراديو الى القارئ في حين ان النوع شبه سلبي semi-passive RFID يعتمد على القارئ لتزويده بالطاقة الكهربية اللازمة للارسال. ولان هذين النوعين من الرقائق يحتوى على عتاد صلب hardware كثير فانهما اكثر تكلفة. النوع النشط والشبه سلبي يستخدما للتعقب على مسافات كبيرة ويقوما بارسال ترددات عالية في المدى 850 إلى 950 MHz والتي تمكنها من تبادل المعلومات مع القارئ على مسافة 100 قدم. واذا تطلب الامر القراءة وتبادل المعلومات على مسافة ابعد يمكن استخدام بطارية اضافية لتقوية الاشارة والوصول لمسافة تعادل 300 قدم (ما يعادل 100 متر).

رقاقة النوع السلبي passive RFID تعتمد بالكامل على القارئ في التزود بالطاقة الكهربية. هذه الرقاقات قادرة على القراءة على مسافة تصل الى 20 قدم. وتمتاز بانخفاض ثمنها، مما يمكن استخدامها بشكل اوسع. وتنتج هذه الرقاقات بهدف الاستخدام مرة واحدة مع كل منتج او سلعة مستهلكة بمعنى ان رقاقة RFID سلبية تستخدم مع علبة شامبو ولكن رقاقة RFID نشطة تستخدم مع بطاقات المرور على الطريق السريع.

رقاقة RFID صغيرة مثبتة على زجاجة معطر هواء

تجدر الاشارة هنا الى ان تكلفة رقاقات RFID تعتمد كثيرا على طريقة تخزين البيانات. هناك ثلاثة طرق للتخزين وهي اما القراءة والكتابة او القراءة فقط او الكتابة مرة والقراءة عدة مرات. حيث ان طريقة القراءة والكتابة تسمح بإعادة الكتابة وتحديث المعلومات ولكن في رقاقة القراءة فقط لا يمكن الكتابة او التحديث عليها حيث انها تحتوي فقط على معلومات مخزنة للقراءة فقط اما الكتابة مرة والقراءة عدة مرات يمكن اضافة معلومات مرة واحدة فقط ولا يمكن الكتابة عليها مرة اخرى. 

تصل تكلفة رقاقات RFID السلبية من 7 الى 20 سنت لكل رقاقة. والرقاقات النشطة والشبه سلبية اكثر ثمنا، ولا يتم تحديد ثمنها الا بعد تحديد المدى المطلوب ونوع البيانات التي سوف تخزن عليها ومقدارها. وتتجه التقنية الان لتقليل تكلفة صناعة الرقاقات السلبية لتصل الى اقل من 5 سنت للرقاقة الواحدة.

في الجزء التالي من المقال سوف نتعرف على هذه التقنية بشكلها العالمي وكيف ترتبط مع شبكة الانترنت.

تعتبر رقاقات الـ RFID احد عناصر مكونات شبكة التعقب المركزية حيث انه من المتوقع ان يصبح في القريب العاجل ان تدمج هذه الرقائق مع كافة السلع والمنتجات على نطاق واسع.

هذا الفيديو يشرح العملية

ومن مكونات نظام شبكة التعقب هي القارئات التي تتصل مع الرقاقات الالكترونية RFID ومع شبكة الانترنت لتعمل الشبكة على النحو التالي:

في متجر ما او سوبرماركت اذا اشتريت علبة حليب مثلا فان علبة الحليب مثبت عليها رقاقة RFID مخزن عليها تاريخ الانتهاء والسعر. وعندما تأخذ العلبة من على الرف تظهر لك شاشة الكترونية على الرف تاريخ الانتهاء والسعر وقد ترسل لك المعلومات بطريقة لاسكلية الى جهاز خاص يوفره لك المتجر او تصلك المعلومات على جوالك المحمول.

وعندما تخرج من المتجر تمر عبر ابواب الكترونية مثبت بها قارئات رقاقات RFID هذه القارئات تلتقط كل السلع التي حملتها وتخزن لك قائمة بأسماء السلع وسعرها وترسل لك فاتورة على حسابك البنكي ليتم بموجبها تحويل مبلغ من رصيدك لرصيد المتجر. كما ان منتجو هذه السلعة سوف يعرفون انك اشتريت منتجهم وتقوم كمبيوترات المتجر بمعرفة كمية كل سلعة احتجتها خلال فترة محددة.

عندما تدخل منزلك تضع علبة الحليب في الثلاجة والتي تكون مزودة بقارئ رقاقات RFID. والثلاجات التي تمتلك هذا القارئ تعرف باسم الثلاجة الذكية، تستطيع تعقب كل السلع المخزنة في داخلها. حيث تتعقب السلع التي استخدمتها ومتى سوف تحتاج الى الحصول على المزيد منها وتعلمك ايضا بتاريخ انتهاء الحليب او أي سلعة وشك تاريخ انتهائها على الاقتراب. 

كما ان نظام التعقب يستمر في العمل حتى بعد ان تلقي العلبة في سلة المهملات. وعند هذه النقطة تقوم الثلاجة بإضافة علبة حليب الى قائمة مشترياتك القادمة، ويمكنك برمجة الثلاجة مسبقا لطلب هذه المنتجات تلقائيا من المتجر وتصلك الى باب منزلك.

بالاعتماد على المنتجات التي تشتريها يصبح المتجر على علم مسبق بالمنتجات المفضلة لديكـ وبدلا من ان تستقبل كل اسبوع مجلة لكافة المنتجات التي تهمك ولا تهمك تحصل على مجلة مصممة خصيصا لك ولرغباتك. والكثير من خدمات التسويق التي تزيد من مبيعاتهم وتغريك اكثر على الشراء. 

ولكي يقوم هذا النظام بعمله فان كل منتج يحصل على رقم منتج خاص صادر من مركز اصدار التعريفات الاتوماتيكي تحت نظام يعرف باسم كود تعريف المنتج الالكتروني electronic product code (EPC) والي سوف يسبتدل نظام UPC. وكل رقاقة ذكية سوف تحتوي على 96 bit من المعلومات تشمل مصنع المنتج واسم المنتج ورقم مسلسل من 40 bit. باستخدام هذا النظام الرقاقة الذكية سوف تستطيع الاتصال مع الشبكة المركزية التي تعرف باسم خدمة تسمية الأشياء object naming service. والتي تمتلك قاعدة بيانات يتم تبادل المعلومات حول أي منتج والحصول على معلومات مباشرة من كمبيوتر المصنع.

المعلومات المخزنة على الرقاقة الذكية مكتوبة بلغة product markup language (PML)، وهي لغة مؤسسة على لغة XML eXtensible Markup Language. تسمح لغة PML لكل اجهزة الكمبيوتر بالتواصل مع نظام كمبيوتر يشبه تماما خوادم صفحات الويب على الانترنت (انظر مقال كيف يعمل خادم الويب في قسم كيف تعمل الاشياء) ويستطيع قراءة لغة HTML  اللغة الاكثر شيوعا لكتابة صفحات الانترنت.

التطبيقات والاستخدامات لرقاقة RFID

قد تعتقد عزيزي القارئ ان رقاقات RFID الذكية صممت فقط من اجل السلع التجارية وان هذه هي وظيفتها الاساسية الا ان الموضوع ابعد من ذلك بكثير وفي الجزء التالي من المقال سوف نتعرف على المزيد من تطبيقات واستخدامات رقاقات RFID الممكنة الاخرى وقد استخدم تطبيق السلع من اجل شرح فكرة العمل فقط وسوف نرى المدى الواسع للتطبيقات المستخدمة لهذه الرقاقات.

في المكتبات: لتحديد أماكن الكتب وتم بالفعل تطبيقها في الكثير من المكتبات.

في بطاقات الهوية: لمعرفة مكان تواجد صاحب هذه الهوية، وقد تم بالفعل تطبيقها على طلبة ولاية تكساس مما يسمح لمكاتب تطبيق القوانين المحلية بأن تتبع تحركاتهم.

في لوحات السيارات: لتحديد أماكن تواجدها وتحركاتها.

في السيارات: لتطوير بعض الأنظمة، فشركة تويوتا Toyota قامت بوضع هذه الشرائح في السيارات Lexus GS 2006 وToyota Camry 2007، لتتعرف على السائق وتعمل تلقائياً بمجرد أن يقترب المالك من السيارة مسافة (3) أقدام. 

في إطارات السيارات فشركة Michelin تجري اختبارات لوضع هذه الشرائح في الإطارات وذلك لمتابعة الإطارات اعتماداّ على القانون الجديد في الولايات المتحدة الأمريكية.

في الإعلام في المستقبل القريب ستتعرف المؤسسات الصحفية على عدد الأشخاص الذين يقرؤون مطبوعاتهم وكمّ هو الوقت الذي يقضيه القراء في تصفح هذه المجلات؟ وهل يقوم القراء بالقفز بين المقالات؟ وهل يقومون بالقراءة من مقدمة المجلة إلى نهايتها أو من الخلف إلى الإمام؟ وهل يقوم احدهم بالتطلع إلى الإعلانات؟. 

في مجال حفظ المعلومات: فشركة ستايسن Stysen المتخصصة في تقديم حلول التخزين الرقمي للملفات وللبيانات ستطور أسلوباً فريداً في تأمين وسائط التخزين بهذه التقنية وبالتالي تأمين محتوياتها وحفظها من السرقة عن طريق قرص صلب متنقل Serial  ATA hard drive باسم (e08).. مؤمن بواسطة تكنولوجيا RFID.

في مراقبة البضائع وبيعها: وحتى عملية نقلها وتوزيعها. في شهر يوليو 2003 طلبت شركة وول مارت ستورز وهي تعد من أكبر 100 مورد للسلع، ملصقات تعتمد على هذه التقنية ليتم وضعها في كافة شحنات البضائع التي يتم توريدها إلى متاجرها في الولايات المتحدة الأمريكية وفي العالم بحلول أواخر عام 2004. وفي عام 2005 اعتمدت وزارة الدفاع الأمريكية البنتاغون على هذه التقنية في تتبع مخزون الجيش من عتاد وبضائع وأغذية لجنودها المنتشرين حول العالم.

هذه العملية تسمى سلسلة الإمداد؛ وكما توضح لنا الرسوم التالية، يتم تثبيت البطاقات بالمنتج في داخل المصنع خلال عملية التصنيع أو التعبئة، وعند خروج المنتج من المصنع تتم عملية القراءة أثناء مغادرة الشاحنة وتقرأ مرة أخرى عندما تصل للبائع وتسجل أنها خرجت من المصنع ودخلت للمتجر وزمن الشحن وعدد القطع. وحتى عندما يشتري الزبون يتم تسجيل خروج القطعة من المتجر وكل ذلك يتم بدون تدخل من البشر فالقارئ يكون مثبت عند أبواب المتجر والمصنع وتتم العملية آلياً.

في جوازات السفر بدأت محاولات عدة في دول العالم تغيير فكرة جوازات السفر وتأشيرات الدخول التقليدية لتزيد من الرقابة والأمان والتحقق من الأشخاص. يمكن استخدام RFID  وتثبيتها بالجواز أو التأشيرة وتخزين معلومات المسافر وصورته وعند مرور الشخص على المراقبة تتم قراءة المعلومات وإظهار الصورة أمام المراقب.

في المجالات الطبية بعض الشركات مثل  (VeriChip) تحاول استخدام هذه التقنية في المجالات الطبية لحفظ المعلومات عن المرضى وعلاجهم ومساعدة الأطباء في مراجعة تاريخ المريض بمجرد دخول المريض أو زيارته. ويمكن حتى زراعة هذه الرقائق إما تحت الجلد أو في ملابس المريض.

في مجال الأمن يمكن أن تستخدم RFID في أجهزة الحماية والإنذار التي تراقب المداخل وتتعرف على المارة من خلال البطاقات والأهم أنها قد تساعد في حالات الاختطاف بالتعرف على الأماكن التي مر بها الشخص المخطوف. وقد قامت إدارة إحدى مدارس مدينة اوساكا اليابانية باستخدام هذه التقنية في عام 2004 حيث يوضع قارئ على بوابة المدرسة ومواقع مهمة أخرى من أجل متابعة حركة التلاميذ في المدرسة لتأمين الحماية الكاملة لهم. 

في جسم الإنسان فقد قام جرافسترا بزراعة بطاقتي RFID بكلتا يدية احداهما بمساحة 3 ملم ب13 ملم والأخرى 2 ملم ب12 ملم. وخزن بهذه البطاقات معلومات عنه لتساعده باستعمال الحاسوب والأجهزة وحتى فتح الأبواب من خلال التحقق من هويته وعدم السماح لغيرة من استعمالها.

صورة حرارية للرقاقة داخل اليد   

في التعرف على الحجاج وهذا ما تم اقتراحه في معهد خادم الحرمين الشريفين لأبحاث الحج، وقد تم الاستفادة منها في الحج بالطرق التالية:

تطبيقات أمنية: إذ يمكن اعتبار الرقاقة بمثابة رخصة حج ويمكن لقارئ الرقاقة التأكد من الرخصة بشكل آلي وفي جزء من الثانية، كما يمكن قراءة المئات من الرقاقات في وقت واحد دون تداخل بينها، مما يتضمن عدم خلق نقاط اختناق عند الحواجز الأمنية، ويسهل حركة دخول الحجاج إلى المشاعر دون ساعات الانتظار الطويلة كما يمكن بجمع هذه المعلومات تحليل حركة الحجاج وتنقلهم بين المشاعر للتوصل إلى حلول للتحكم بالازدحام وإزالة الاختناقات.

تطبيقات إحصائية:  إذ يمكن باستخدام قارئات عند مدخل الحرم، إحصاء الحجاج الداخلين والخارجين بشكل آلي وهم في حركة عادية دون شعور منهم، ويمكن تحليل هذه البيانات فيما بعد للحصول على معلومات إحصائية وأمنية مفيدة.

تطبيقات طبية: يمكن للمؤسسات الطبية قراءة معلومات الحاج ذات الصلة من الرقاقة، وهذا يوفر الجهد والوقت، مما يساعد على تقديم العناية الصحية المناسبة لوضعه ويتخطى حاجز اللغة في التفاهم.

تطبيقات مالية: بعد اختبار النظام لسنوات، يمكن تطويره بإدخال نظام المحفظة الإلكترونية في الرقاقة، بحيث يتمكن الحاج من “شحن” الرقاقة بمبالغ معينة سلفاً، ثم يستهلكها في شراء حاجياته، دون ضرورة حمل نقود، وتعرضه لضياعها أو سرقتها.

وفي نهاية هذا المقال نرى كيف ان الفيزياء والكمبيوتر والانترنت تشكل قاعدة اساسية للتقنية والتكنولوجيا التي لا يمكن الاستغناء عنها وبالرغم من الكثير من الانتقادات التي ظهرت على هذه التقنية في مجال انتهاك الحقوق الشخصية الا ان ذلك لم يمنع من انتشارها قريبا وفي كل مكان وقد يتساءل القارئ ما علاقة هذا الموضع بعنوان المقال رقاقات التجسس لأنه بالفعل من يدري ربما تكون هذه الرقاقات مثبتة ايضا على هواتفنا النقالة او أي شيء نحمله معنا طوال الوقت وبالتالي هي رقاقات تجسس وان كانت الترجمة الحرفية لهذه الرقاقات هو التعقب. اتمنى ان اكون قدمت شرحا مفيدا ومقالا نافعا بأسلوب سهل وسلس كما عودناكم من خلال مقالات كيف تعمل الاشياء.

لمزيد من المعلومات حول هذه التقنية

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio-frequency_identification

http://ejabat.google.com/ejabat/thread?tid=69840c2dfe3466dc&pli=1

 

مع خالص تحياتي وتقديري

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

بالرغم من ان الخمسينات من القرن الماضي يعتبر عصر الأفلام ثلاثية الأبعاد حيث انتج أول فيلم في العام 1922 بعنوان قوة الحب the power of love الا انه منذ ذلك الوقت تراجع استخدام تقنية العرض ثلاثية الأبعاد وقلت شعبيتها. ولكن الآن تطالعنا التكنولوجيا بجيل جديد من الأفلام ثلاثية الأبعاد تعطي إحساس للمشاهد انه جزء من الفيلم وتكاد الأشياء تصله ان لم تكن تسقط عليه مما يضره للابتعاد أحيانا أو محاولة مد يده لالتقاط شيء قادما نحوه.

ولكن حتى نستمتع بمشاهدة هذه الأفلام علينا ان نرتدي نظارة خاصة تنقلنا من المشاهد المسطحة إلى مشاهد مجسمة. في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء نطعكم على أنواع هذه النظارات وكيف تعمل.

الرؤية بالعينين Binocular Vision

خلقنا الله سبحانه وتعالى ومنحنا نعمة النظر بنظام الرؤية بعينين. فعندما يكون جسم على بعد 6 إلى 7 أمتار فان نظام الرؤية بالعينين يمكنا من التعرف بسهولة وبدقة عالية كم يبعد هذا الجسم عنا. على سبيل المثال إذا كان هناك جسمين وكلاهما في مجال الرؤية فإننا بطريقة تلقائية نستطيع ان نخبر أي الجسمين ابعد وأيهما اقرب وكم يبعدا عن بعضهما وعنا. ولكن إذا نظرنا للعالم من حولنا بعين واحدة والأخرى مغلقة فإننا لازلنا نستطيع ان نحدد المسافة ولكن بدقة اقل وهنا يتم الاعتماد على الإشارات البصرية والتي تكون أبطئ.

ولكي ندرك ما الفرق بين الرؤية بالعينين معا أو بعين واحدة اخبر صديقك ان يلقى كرة نحوك وحاول التقاطها ستجد صعوبة في التقاط الكرة إذا كانت إحدى عينيك مغلقة بينما مع كلتا العينين مفتوحتين تستطيع التقاطها بسهولة. كذلك جرب في غرفة معتمة أو في الليل، حيث تصبح المسافة غير ملحوظة بدقة.

نظام الرؤية لدينا يعتمد على عينين مفصولتين بمسافة تقدر بحوالي 5 سنتيمتر. ولهذا فان كل عين ترى الأشياء من منظور مختلف قليلا، ويقوم نظام الرؤية في الدماغ باستخدام الفرق بين المشهدين بحساب المسافة. يمتلك دماغنا القدرة على ربط الصور التي نراها بالعينين حتى لو كانت مختلفتين قليلا.

إذا استخدمت مرة المنظار المجسم الذي يعرف باسم View-Master  أو منظار ستيريوسكوبيك stereoscopic viewer، تستطيع ان ترى كيف يعمل نظام الرؤية لدينا باستخدام العينين معا, في المنظار المجسم كل عين تشاهد صورة. هناك صورتين مختلفتين تم التقاطهما بكاميرا ولكن من موضعين مختلفين لتكوين هذه الصور التي نشاهدها في المنظار المجسم. تستطيع العين ان تربط هاتين الصورتين معا تلقائيا لان كل عين ترى صورة من الصورتين.

المنظار المجسم الذي يعرف باسم منظار ستيريوسكوبيك

الرؤية ثلاثية الأبعاد 3-D Viewing

في صالات العرض السينمائية الحديثة نرتدي نظارات ثلاثية الأبعاد للشعور بالصورتين بواسطة عينينا مثلما يحدث تماما مع المنظار المجسم. فشاشة العرض السينمائية في الحقيقة تعرض صورتين، وتسبب النظارة الثلاثية الأبعاد ان تفصل الصورتين عن بعضهما البعض وكل عين ترى صورة منفصلة عن الأخرى. وهناك نظامين مختلفين شائعين لعمل ذلك:

أحمر/أخضر أو أحمر/ازرق

هاتين النظارتين تستخدما في مشاهدة التلفزيون بمؤثرات ثلاثية الأبعاد واستخدمت أيضا في العديد من الأفلام الثلاثية الأبعاد القديمة. في هذا النظام، تعرض الصورتين على الشاشة، واحدة باللون الأحمر والأخرى باللون الأزرق أو الأخضر. هذه تعد فلاتر لونية على النظارة تسمح فقط بصورة واحدة ان تصل للعين ويقوم الدماغ بالباقي. في الواقع بهذا النظام لا تستطيع ان ترى أفلام ملونة باستخدام فلاتر لونية لعمل فصل بين الصورتين على العين، لذلك فان جودة الصورة ليست بالجودة المطلوبة كما توفرها أنظمة الاستقطاب. الا ان هذه النظارات رخيصة الثمن ويمكنك ان تصنعها بسهولة وبنفسك. 

عدسة حمراء وأخرى زرقاء تعمل على فلترة صورتين مما يسمح بكل صورة ان تصل إلى كل عين. 

الاستقطاب  Polarization

في عالم ديزني أو في Universal Studios أو في أي استوديوهات تصوير ثلاثية الأبعاد فان الطريقة الأنسب والمفضلة أكثر هي العدسات المستقطبة لأنها تسمح برؤية ثلاثية الأبعاد وملونة في نفس الوقت. وهنا يعرض الفيلم المكون من صورتين كل صورة من زاوية مختلفة قليلا وتعرض هاتين الصورتين متزامنتين على الشاشة، وكل صورة لها استقطاب مختلف. تسمح العدسات المستقطبة التي نرتديها لرؤية مثل هذه المشاهد بفصل الصورتين بحيث تصل كل صورة إلى عين لان العدسات نفسها مصنوعة بزاوية استقطاب مختلفة.

النظارات المستقطبة تسمح لصورة واحدة فقط ان تصل إلى كل عين لان كل عدسة لها استقطاب مختلف

كما ان هناك أنظمة أكثر تعقيدا ولكنها مكلفة جدا وباهظة الثمن مما جعل من استخدامهم نادرا. على سبيل المثال بعض أنظمة التلفزيون تقوم ببث الصورة الأولى والصورة الثانية خلفها مباشرة. أو باستخدام عدسات مصنوعة من بلورات سائلة LCD خاصة لتمنع المشهد عن عين وتسمح للعين الأخرى برؤيته ومن ثم تعكس الأمر لترى العين الأولى المشهد الأول وتمنعه عن العين الثانية بتعاقب سريع. هذا النظام يسمح برؤية مجسمة على شاشات التلفزيون العادية إذا كان الفيلم مسجل بالطريقة صورتين واحدة قبل الأخرى وهنا عليك شراء نظام الرؤية الخاصة.

ولكن اغلب الأفلام المنتجة بميزة الرؤية ثلاثية الأبعاد تعمل على بنظام الاستقطاب والصور والمشاهد مصورة من زاويتين مختلفتين قليلا وتعرضان معا متزامنتين وهنا علينا ارتداء النظارة المستقطبة لاستمتاع بمشاهد ثلاثية الأبعاد. 

كما ان شركة جوجل قد طرحت نسخة جديدة من متصفحها الشهير كروم Chrome يعمل بتقنية ثلاثية الأبعاد ويمكنك تحميل الموقع والاطلاع على شرح بسيط جدا لصناعة النظارة الخاصة لرؤية الأشياء ثلاثية الأبعاد بهذا المتصفح الجديد.

لتحميل متصفح كروم ثلاثي الأبعاد من هنا

http://www.google.com/intl/en/landing/chrome/cadie/

 لتحميل كيف تصنع نظارة ثلاثية الأبعاد من هنا

http://www.google.com/intl/en/landing/chrome/cadie/glasses.pdf

وبعد ان تصنع نظارتك يمكنك الاستمتاع برؤية ثلاثية الأبعاد للشمس وغيرها من الكواكب والأجرام السماوية من هنا

http://stereo.gsfc.nasa.gov/gallery/3dimages.shtml

أتمنى عندما نستخدم هذه النظارات ان لا نندهش كثيرا من التقنية فليس هناك جديد فالدماغ هو الذي يقوم بكل شيء مع القليل من الفيزياء في النظارة.

مع خالص تحياتي والى اللقاء في مقال أخر من مقالات كيف تعمل الأشياء

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

 

كيف يعمل التحفيز الضوئي Photocatalysis  

خلال رحلتي العلمية التي قمت بها في صيف 2010 بموجب دعوة تلقيتها من معهد علوم المواد وتكنولوجيا الاسطحInstitute for Materials & Surface Technology-IMST  بمدينة كيل في ألمانيا، عملت على استخدام حبيبات ثاني اكسيد التيتانيومTiO₂  النانوية بعد تحويله لفيلم سميك على شريحة من الزجاج بتقنية السول جيل كمحفز ضوئي في ازالة تلوث المواد العضوية من الماء، والذي اعطى فعالية كبيرة في تحويل الماء المختلط بصبغة عضوية (ميثيل اورانج) الى ماء نقي خلال 4 ساعات من تعرض الماء الملوث لاشعة فوق بنفسجية مسلطة على المحفز الضوئي المغمور في الماء. ترتكز هذه التقنية على عملية التحفيز الضوئي Photocatalysis والتي لها تطبيقات عديدة مفيدة في مجال الحفاظ على البيئة.

ما هي عملية التحفيز الضوئي وكيف تعمل وما هي اهم تطبيقاتها التقنية الحالية والمتوقعة في المستقبل القريب؟ كل هذا سوف نتعرف عليه من خلال هذا المقال من سلسلة مقالات كيف تعمل الاشياء.

التلوث الحادث في البيئة يعتبر من المشاكل الاساسية التي تواجه العالم باسره ولا سيما وان هذا التلوث الذي يؤثر سلبا على حياتنا اليومية في تزايد مستمر، حتى اصبحت مشكلة التلوث من المشاكل الخطيرة التي لا يمكن ان تهمل بدون وضع علاج لها. ونذكر من امثلة التلوث البيئي على سبيل المثال:

ـ تلوث المياه بسبب مخلفات المصانع والمنازل.

ـ تلوث الهواء بأكاسيد الكبريت والنيتروجين والتي تسبب امراض في الجهاز التنفسي.

ـ تلوث هواء الغرفة الناتج عن المركبات العضوية التي تدخل في تركيب المنزل واثاثه.

ـ مركبات الدوكسين السامة الناتجة عن رماد المواد الصمغية.

في الواقع وجد ان استخدام الطاقة للتخلص من هذه المصادر المتعددة للتلوث البيئي سبب مشكلة اخرى وهي زيادة نسبة انبعاث ثاني اكسيد الكربون في الجو والتي سببت ارتفاع درجة حرارة الكرة الارضية والتي تعرف باسم global warming، ومن الحكمة هنا ان لا نستمر في استخدام الطاقة كوسيلة مضادة لمكافحة التلوث لأنها بالفعل سببت في مشكلة اخرى لا تقل خطورة عن مشكلة التلوث وفي نفس الوقت لا يمكن ايقاف النهضة التكنولوجية والصناعية.

وفي مثل هذه الظروف لابد من البحث عن بديل لحل هذه المعضلة من خلال ايجاد مادة جديدة لا تسبب ضرر اضافي للبيئة وفي نفس الوقت تعمل على اعادة الظروف البيئية لوضعها الاصلي باستخدام مصادر الطاقة الطبيعية مثل اشعة الشمس والتي هي جزء من التوازن البيئي ومصدر رخيص لطاقة لا تنضب. من هنا جاءت اهمية عملية التحفيز الضوئي photocatalysis.

 

ما هي عملية التحفيز الضوئيphotocatalysis ؟ 

كلمة تحفيز ضوئيphotocatalysis  هي كلمة مركبة من جزئيين الجزء الاولphoto  وتعني الضوء والجزء الثانيcatalysis  وتعني التحفيز.

تعتمد عملية التحفيز على مادة تعمل على زيادة معدل تحول المواد المتفاعلة بدون ان تتأثر هذه المادة او ان تستنزف. تعرف هذه المادة باسم الـ catalyst أي المحفز. وتقوم بزيادة معدل التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة له. وبالتالي فان عملية التحفيز الضوئي هي عبارة عن تفاعل يستخدم فيه الضوء كمنشط للمادة التي سوف تعمل على زيادة معدل التفاعل الكيميائي بدون ان يكون لها دور في التفاعل نفسه.

لتوضيح الفكرة اكثر نأخذ مثالا من الطبيعة فمثلا مادة الكلوروفيل Chlorophyll في النباتات هي محفز ضوئي طبيعي. والفرق بين الكلوروفيل والمحفز الصناعي هو ان الكلوروفيل يقوم بامتصاص ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني اكسيد الكربون إلى اكسجين وجلوكوز، ولكن المحفز الصناعي يعطي مركب مؤكسد قوي جدا يعمل على كسر روابط المواد العضوية السامة والبكتيريا عند تعرضه لضوء الشمس او الضوء العادي ويحولها إلى ثاني اكسيد الكربون وماء كما هو موضح في الشكل.

 

على اليمين في الشكل يوضح دور الكرورفيل في عملية التحفيز الضوئي وعلى اليسار يوضح دور ثاني اكسيد التيتانيوم في التحفيز الضوئي.

 

ويمكن استخدام هذا المبدأ ايضا في معالجة المياه وتنقيتها، وكذلك تحلل اكاسيد النيتروجين السامة في الهواء، وتنقية الهواء في غرف المنازل واماكن العمل وغيرها من التطبيقات المفيدة.

دور المحفز الضوئي واستخداماته يمكن ان نقسمها لفئات اساسية هي:

ـ تنقية المياه.

ـ منع التلوث.

ـ مضاد للبكتيريا.

ـ التخلص من الروائح الكريهة.

ـ تنقية الهواء.

كل هذه التطبيقات تعتمد على ضوء الشمس او الاشعة فوق البنفسجية من أي مصدر في وجود مادة التحفيز الضوئي فما هي المادة السحرية التي سوف تقوم بهذه الاعمال مستفيدة من اشعة الشمس هذا ما سنوضحه في الجزء التالي من هذا المقال.

 

أي من المركبات مرشح كمحفز ضوئي؟

لقد وقع الاختيار على اشباه الموصلات semiconductors لتكون محفز ضوئي لان مواد اشباه الموصلات تمتلك فجوة طاقة صغيرة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل. ولكي تتم عملية التحفيز الضوئي تمتص مادة شبه الموصل طاقة من اشعة الشمس مثلا او من مصدر اشعة فوق بنفسجية مساوية على الاقل لفجوة الطاقة فتنتقل الكترونات من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل فيصبح لدينا الكترون في حزمة التوصيل وفجوة موجبة في حزمة التكافؤ. الفجوة الموجبة تعتبر مؤكسد قوي يمكنه اكسدة الجزئيات.

مسحوق ثاني اكسيد التيتانيوم TiO₂

من بين مواد اشباه الموصلات الممكن استخدامها كمحفز ضوئي مادة ثاني اكسيد التيتانيوم Titanium Dioxide  والذي له الرمز الكيميائي TiO₂ وفجوة الطاقة فيTiO₂   هيE_g=3.2eV   وهذه الطاقة تعادل طاقة فوتون له طول موجي يساوي388nm   وهذا الفوتون يقع في مدى الاشعة فوق البنفسجية. ويعتبر ثاني اكسيد التيتانيوم الانسب للاستخدام كمحفز ضوئي لعدة مزايا منها على سبيل المثال ان ثاني اكسيد التيتانيوم خامل، مقاوم للتأكل ويحتاج الى معالجة وتحضير اقل من غيره من اشباه الموصلات، وهذا يجعله متوفرا بسعر منخفض التكلفة. كما يمكنه التفاعل في ظروف عادية.

حزم الطاقة في ثاني اكسيد التيتانيوم

عندما يمتص ثاني اكسيد التيتانيوم الاشعة فوق البنفسجية من اشعة الشمس او من أي مصدر ضوئي يعمل في مدى الاشعة فوق البنفسجية فان طاقة الاشعة فوق البنفسجية كافية لتحرير الكترون سالب وفجوة موجبة.

يصبح الكترون حزمة التكافؤ في ثاني اكسيد التيتانيوم مثارا عند امتصاصه للأشعة فوق البنفسجية وينتقل الالكترون e^–  إلى حزمة التوصيل تاركا خلفه فجوة موجبة في حزمة التكافؤ h⁺. ويصبح ثاني اكسيد التيتانيوم في هذه الحالة مثارة. فرق الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل.

 

ألية عمل التحفيز الضوئي في ثاني اكسيد التيتانيوم

الفجوة الموجبة h⁺ في ثاني اكسيد التيتانيوم تعمل على تحويل جزيء الماء إلى هيدروجين وهيدروكسيل. ويتفاعل الالكترونe^–  مع جزيء الاكسجين ويعطي انيون مؤكسد قوي جدا. تستمر هذه العملية طالما هناك ضوء متوفر.

نبذة تاريخية على تطور تقنية التحفيز الضوئي لثاني اكسيد التيتانيوم TiO₂ 

 

البروفيسور اكيرافوجيشيما

رئيس اكاديمية كاناجاوا Kanagawa للعلوم والتكنولوجيا باليابان

 

اكتشف تأثير ثاني اكسيد التيتانيوم في العام 1967 بواسطة البروفيسورFujishima   بطريقة غير متوقعة عندما عرض الكترود من ثاني اكسيد التيتانيوم في محلول مائي لضوء قوي، لاحظ Fujishima  خروج فقاعات من سطح الالكترود، وهذه الفقاعات لا تخرج عندما لا يكون هناك ضوء. وجد فيما بعد ان هذه الفقاعات تتكون من غاز الاكسجين. كذلك اكد ايضا على تولد غاز الهيدروجين على الالكترود المقابل والذي كان من البلاتين. وبهذا استنتج ان الماء تحلل إلى اكسجين وهيدروجين. ما حدث على سطح ثاني اكسيد التيتانيوم هو تحفيز ضوئي وعرفت هذه الظاهر فيما بعد باسم تأثير هوندا فوجيشيما Honda-Fujishima. وقد تم نشر تلك النتائج في بحث علمي في عام 1972 وقد جذبت نتائج هذا البحث انتباه الكثير من العلماء حول العالم. وقد استخدم العلماء اليابانيون هذه الطريقة في استخلاص الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس للحصول على مصدر نظيف للطاقة. وقد اثبت فوجيشيما بتجربة قام بها إمكانية استخلاص الهيدروجين حيث قام بطلاء سطح منزله بطبقة رقيقة من ثاني اكسيد التيتانيوم وفي يوم مشمس وصافي استطاع ان يستخلص حوالي7 لتر من الهيدروجين لكل متر مربع. ولكن نظرا لانخفاض كفاءة تحويل الطاقة اعتبرت عملية التحفيز الضوئي غير مناسبة لتحويل الطاقة. ولكن هذا لم يثني البروفيسور فوجيشيما الذي اتجه الى الاستفادة من خاصية الاكسدة القوية لثاني اكسيد التيتانيوم في الضوء كمادة محللة، ففي العام 1989 قام بتجربة طلى فيها سقف وجدران غرفة عمليات في مستشفى بثاني اكسيد التيتانيوم وكانت النتيجة هي انخفاض مقدار التلوث البكتيري في تلك الغرفة واصبحت تلك المادة منذ ذلك الوقت تستخدم كمادة مضادة للبكتيريا وفي انظمة تنقية الهواء.

عملية التحفيز الضوئي باستخدام ثاني اكسيد التيتانيوم تشبه عملية البناء الضوئي بواسطة كلوروفيل النباتات

في العام 1995 اكتشفت ظاهرة جديدة ادت الى اتساع تطبيقات التحفيز الضوئي باستخدام ثاني اكسيد التيتانيوم. حيث لوحظ عند طلاء زجاج بمادة ثاني اكسيد التيتانيوم وتعرضه لأشعة الشمس فان قطرات الماء تصبح مسطحة على سطحه. وهذه خاصية تعرف باسم superhydrophilicity أي محبة للماء وبمزيد من الدارسات التي قام بها فوجيشيما وزملائه باستخدام ميكروسكوب القوة الذرية atomic force microscope AFM لاحظ ان الاشعة فوق البنفسجية قد انتزعت بشكل جزئي ذرات الاكسجين من سطح ثاني أكسيد التيتانيوم. وكانت هذه المناطق التي انتزع منها الاكسجين تعرف باسم محبة للماء تعرف بالمصطلح hydrophilic أي مناطق لها زاوية اتصال كبيرة بين السطح والماء، في حين ان المناطق التي لم تنتزع منها ذرات الاكسجين هي مناطق كاره للماء وتعرف بالمصطلح hydrophobic وتكون فيه زاوية اتصال الماء مع السطح صغيرة. وقدرت مساحة المناطق المحبة للماء بـ 30nm×50nm ومناطق اخرى كاره للماء Hydrophilic بنفس المساحة تقريبا. وهذا جعل قطرات الماء على السطح مسطحة بدلا من ان تكون كروية، وهذا شكل طبقة رقيقة منتظمة من الماء على السطح لان الماء انتشر علي المساحات المحبة للماء hydrophilic من السطح. فاذا كان هناك اثار زيت على السطح فان قطرات الماء عند هطول المطر مثلا سوف تنساب تحت طبقة الزيت وتزيله بسهولة. وهذه تقنية اصبحت تستخدم الان وتعرف باسم التنظيف الذاتي والان يتم استخدام طلاء من ثاني اكسيد التيتانيوم على الجهة الخارجية لنوافذ المباني الكبيرة ومرايا السيارات.

 

عملية التنظيف الذاتي للسطح بالاعتماد على خاصية التحفيز الضوئي لثاني اكسيد التيتانيوم 

عرض يوضح مبدأ عمل التحفيز الضوئي لثاني اكسيد التيتانيوم وتطبيقاته المختلفة

مشكلة وحل

من المهم ان نشير هنا الى ان الكثير من البحوث العلمية المكثفة تجري لتطوير عملية التحفيز الضوئي باستخدام ثاني اكسيد التيتانيوم وجعله مادة يمكن استخدامها تجاريا في تطبيقاته المختلفة. فمثلا من الافضل ان تتم عملية التحفيز الضوئي في الضوء المرئي وليس قاصرا على الاشعة فوق البنفسجية حتى يتم الاستفادة من الانارة العادية في المنازل في تنقية الهواء والتخلص من الجراثيم وغيرها من التطبيقات الاخرى. كما ان زيادة كفاءة عملية التحفيز الضوئي تعتبر من العوامل المهمة. ومن اجل الوصول لأفضل النتائج اجريت العديد من البحوث في مختلف المعامل البحثية.

في العام 2001 تمكن العالم الكيميائي Asahi في مختبرات Toyota في اليابان من تطعيم TiO₂ بالنيتروجين والذي يعرف باسم التيتانيوم الاصفر والذي اظهر استجابة كبيرة في الضوء المرئي. حيث اتضح ان التطعيم بالنيتروجين ادى الى تقليل فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل ليصبح بالإمكان استخدام ضوء طوله الموجي يتراوح بين 390 إلى 500nm. وعلى جانب اخر اجريت العديد من الابحاث العلمية لزيادة كفاءة التحفيز الضوئي بإضافة جسميات نانوية من المعادن النبيلة مثل الفضة والبلاتين والذهب في مادة ثاني اكسيد التيتانيوم. فقد وجد ان اضافة 1 الى 5% من الفضة ادى الى زيادة الكفاءة.

تجربة ونتيجة

استخدام ثاني اكسيد التيتانيوم في صورة مسحوق لتنقية الماء هي طريقة فعالة ومستخدمة ولكن لها مشاكلها فبعد ان يقوم المسحوق بوظيفته وتنتهي عملية التنقية يتطلب التخلص من المسحوق من الماء وهنا تكمن المشكلة. فكان الحل من خلال عمل فيلم سميك من حبيبات ثاني اكسيد التيتانيوم على شريحة من الزجاج باستخدام تقنية السول جيل Sol-Gel وبعد ضبط نسب تركيز السول المستخدم لإنتاج الافلام وضبط ظروف التحضير بالتجربة والتحليل والدراسة تم صناعة افلام سمكية من حبيبات ثاني اكسيد التيتانيوم استخدمت في دراسة تأثير ثاني اكسيد التيتانيوم كمحفز ضوئي على محلول مائي مذاب فيه صبغة الميثيل اورانج وذلك بوضع الفيلم المحضر في المحلول تحت اشعاع فوق بنفسجي ورصد تحلل الصبغة العضوية خلال الزمن.

 

تجهيز فيلم ثاني اكسيد التيتانيوم

 

اختفاء اثر صبغة الميثيل اورانج في الماء بعد 4 ساعات من عملية التحفيز الضوئي

 

الخلاصة

عملية التحفيز الضوئي هي عملية فيزيائية كيميائية لها تطبيقات مفيدة سوف تظهر اثارها على حياتنا في ان يحظى كل منا بهواء نظيف خالي من الجراثيم والبكتيريا ونشرب ماء نقي وصحي ونحظى بنوافذ لا تتسخ وقد نحصل في المستقبل القريب من هذه التقنية على مصدر طاقة غير ضار من الهيدروجين المستخلص من الماء. اتمنى ان اكون قد قدمت من خلال هذا المقال شرحا مبسطا لهذه التقنية واهم التطبيقات المستخدمة.

 مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.com 

 

لمزيد من المعلومات يمكن الاستعانة بهذه الروابط الالكترونية

http://dev.nsta.org/evwebs/1952/home.htm 

http://www.air-purifier-power.com/photocatalytic-air-purifier.html 

http://www.explainthatstuff.com/how-photocatalytic-air-purifiers-work.html 

http://www.hindawi.com/journals/ijp/2010/764870.html 

http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2005/044a.html 

http://photochemistryportal.net/home/index.php/2009/09/30/metal-oxide-photocatalysis/ 

 

 

الانف الالكتروني – أنابيب الكربون النانوية في مجسات الكشف عن الغازات 

يشكل الاهتمام العالمي المتزايد بالبيئة والمخاطر الصحية حافزا قويا للبحث عن وسائل دقيقة وسريعة للكشف عن العديد من المركبات الكيميائية وخصوصا السام منها. يستخدم لهذا الغرض مجسات حساسة تعرف بالأنوف الالكترونية. والكثير من الصناعات الغذائية ابدت اهتماما كبيرا بهذه المجسات للكشف عن الأغذية الفاسدة كما وتلعب دورا هاما في تحديد مدى جودة العطور ومنتجات عديدة أخرى. هناك مجالات متقدمة أخرة تحتاج الى المجسات الدقيقة كصناعة البتروكيماويات وأشباه الموصلات. من أجل تلبية هذه الحاجات الملحة والمتزايدة كان لابد من توفر مجسات على درجة عالية من الدقة وذات أحجام صغيرة جدا وباسعار مناسبة على الجانب الاخر لابد لهذه المجسات من اعطاء رد فعل فوري وثابت ومتكرر عند مدى واسع من المركبات الكيميائية بتركيزات ضيلة جدا قد تصل الى جزء من المليون.

المجس هو جهاز يتلقى اشارة او محفز خارجي فيستجيب له باعطاء اشارة كهربية. تستجيب المجسات لمتغيرات مختلفة قد تكون كيميائية، أو ضوئية، أو اشعاع، أو ضغط، أو حركة او اي من الظواهر الفيزيائية او البيولوجية. والسبب في اقتصار رد فعل جميع المجسات على الاشارات الكهربية يعود للتقدم الكبير الجاري في تكنولوجيا معالجة الاشارات الكهربية وعالم الاجهزة الالكترونية. 

اجمالا يتكون المجس من ثلاث اجزاء رئيسية 

لهذه المجسات تصنيفات مختلفة تعتمد على الطريقة التي يقيس بها كما هو موضح في الجدول التالي:  

مجسات الكشف عن الغازات

القدرة على الكشف بسرعة وبشكل موثوق عن وجود أو عدم وجود مواد كيميائية معينة قد تكون قضية حياة او موت. مثلا تسرب غازات سامة، ورصد الغلوكوز في مجرى الدم، اختبار المركبات الضارة في الأطعمة، والإنذار المبكر من عوامل الحرب الكيميائية والبيولوجية تتطلب جميعها مجسات موثوقة وذات درجة عالية من الحساسية.  

يوجد الكثير من المجسات الطبيعية في الأنظمة الحيوية والكائنات الحية. من أشهر المجسات الطبيعية والتي حاول الانسان تقليده هو نظام الشم. حيث ان الهواء يعتبر هو المصدر الرئيسي للعديد من العمليات الحيوية فان غياب بعض عناصره او وجود عناصر اخرى غريبة فيه من الممكن ان يؤدي الى اضطراب في هذه العمليات الحيوية. معظم هذه الغازات عديمة اللون ولكنها قد تتميز برائحة معينة ولذا فقد اعتمد الانسان على حاسة الشم للكشف عنها. حاسة الشم عند الانسان يمكنها التعرف على الروائح العديدة حيث تصنفها الى عشرة فئات اساسية تبعا للخلية المستقبلة والتي تظهر استجابات متماثلة للمركبات الغازية المتطابقة.

توجد الخلايا المستقبلة في الانسان في بطانة الجهاز التنفسي بما يعرف بمنظومة حاسة الشم. بعض من الغازات التي تلتقطها الخلايا المستقبلة تتفاعل مع جزيئاتها مما ينتج عنه جهد كهربي ينتقل خلال محور الخلية العصبي الى الخلايا العصبية الثانوية ومنه الى تجويف جهاز الشم. يمكن التمييز بين الغازات المختلفة اذا اعطت قيم مختلفة للجهد الكهربي عند تفاعلها مع جزيئات الخلية المستقبلة. بعد ذلك تتم معالجة الاشارات الكهربية المرسلة من جهاز الشم في المخ مما يولد الشعور بالرائحة. جهاز الشم في الانسان حساس للغاية ويمكن بواسطته التمييز بدقة بين الغازات المختلفة حيث تبلغ حساسية خلايا الشم في الانسان لدرجة الاحساس بجزء نسبة تركيزه 1:1012 في الهواء.

بدأ انتاج مجسات صناعية بناءا على المعايير الاساسية في تكنولوجيا المجسات وهي تركيب المادة الفعالة، آلية عمل المجس، طرق تصنيعة وخصائصه مما يتطلب دمج مختلف التكنولوجيات التمكينية في جهاز واحد، الأمر الذي يتطلب بوضوح جهود متعددة التخصصات. لكن التحدي الأكبر يكمن في دمج المادة الحساسة مع الدائرة الالكترونية على نفس الرقاقة الالكترونية لنحصل على اجهزة قياس صغيرة بأسعار منخفضة. مما يدخلنا الى عالم ما يسمى بالأجهزة النانوية “     nanodevices    “.

الأجهزة النانوية “nanodevices    ”

تعتبر الأجهزة النانوية من أهم العناصر التي ستهيئ للبشرية الاستغلال الكامل للقدرات التكنولوجية في جميع المجالات الميكانيكية والالكترونية والمغناطيسية، والبيولوجية مما سيكون لها اثر كبير على التحكم بالتلوث وعلى انتاج الغذاء والعناية بالصحة. المجسات النانوية تعتبر من أكثر الأجهزة النانوية أهمية لارتباطها بصناعة تكنولوجيا المعلومات.

المجسات النانوية “nanosensors     ”

هي مجسات نقطية تستخدم لنقل المعلومات عن العالم النانوي الى عالمنا العياني. ومنها مجسات الكشف عن الغازات والتي تسمى أحيانا الأنوف إلكترونية، وهي أجهزة قادرة على التقاط ومعالجة الإشارات التي تنتج عن عمليات التفاعل المحددة والقابلة للتكرار مع جزيئات الغاز، في واحدة أو أكثر من طبقات المادة الحساسة في المجس. وقد تم تطوير هذا النوع من الأجهزة من خلال الإنتاج المنتظم لمواد استشعار جديدة، وتوافر أنظمة القياس الالكترونية الحساسة والسريعة من خلال النمو المعرفي في نظم تحليل ومعالجة البيانات. حيث نرى ان الحاجة الماسة لمثل هذه المجسات الدقيقة يتزامن مع التقدم في العديد من مجالات التكنولوجيا الضرورية لبنائها حيث عرف الكثير عن الكشف عن جزيء باستخدام جزيء اخر، وهو ما يعرف باسم التعرف الجزيئي، ولكن بناء جهاز نانوي يمكنه الكشف عن عدة جزيئات مستهدفة في وقت واحد، ومن ثم معالجة المعلومات وبث الإشارات لا يزال يمثل تحديا. 

ان التركيبات النانوية الجديدة للمادة كأنابيب الكربون النانوية، والاسلاك والكرات النانوية أثبتت كفاءة عالية في الاستخدام كمجسات للكشف عن العديد من الظواهر الفيزيائية والبيولوجية. وفتحت الأفاق لتطوير المجسات نتيجة لدقة حجمها حيث أصبح من الممكن الكشف عن التغيرات الطفيفة جدا والتي تعجز المجسات التقليدية عن الكشف عنها. قد تصل دقة المجسات النانوية سواء كانت كيميائية أو حيوية لمستوى التعامل مع جزئ واحد من المادة وكما ويمكن تقصير زمن استجابة المجسات النانوية أكثر فأكثر.

المعايير الأساسية للمجسات الجيدة والفعالة للغازات

(1) درجة عالية من الدقة والحساسية.

(2) مستوى عال من الانتقائية.

(3) وقت استجابة سريع.

(4) وقت انتعاش قصير.

(5) درجة حرارة تشغيل منخفضة، مع عدم الاعتماد على درجة الحرارة.

(6 الاستقرار في الأداء. 

هناك العديد من المواد المستخدمة كمواد حساسة في مجسات الكشف عن الغازات من ابرزها البوليمرات، أكاسيد المعادن، أشباه الموصلات، وغيرها من المواد المسامية التي يسهل اختراقها مثل السيليكون. بما ان آلية عمل مجسات الغازات تعتمد اساسا على مبدأ الامتزاز بين جزيئات الغاز والمادة الحساسة في المجس فان زيادة مساحة الاتصال بينهما ستؤدي بالضرورة الى زيادة حساسية المجس. هذا جعل المواد النانوية ذات التركيب المجوف والتي تكون نسبة مساحتها السطحية الى حجمها كبيرة جدا موادا مثالية للاستخدام كمادة حساسة في مجسات الكشف عن الغازات لذا نجد أن تكنولوجيا المجسات النانوية تعتمد كلية على مواد نانوية بتراكيبها المختلفة مثل الجسيمات النانوية او الاسلاك النانوية أو الانابيب النانوية.

في جميع المواد تعتمد الية الكشف عن وجود الغازات على انتقال الشحنات بين المادة الفعالة المستخدمة في صناعة المجس وبين الغاز المراد الكشف عن وجوده والذي يلتصق بسطح المجس. الالية الحقيقية لعمل المجسات من هذا النوع تعتمد على العديد من العوامل مثل

· مدى نشاط العنصر التفاعلي (المادة الحساسة في المجس).

· التركيب الدقيق للعنصر.

· تركيز حاملات الشحنة الحرة (سواء الكترونات أو فجوات).

· خواص سطح المادة المستخدمة.

كما اصبح واضحا فان فكرة عمل مجسات الكشف عن الغازات تعتمد على قياس التغيرات الدقيقة في حركة الكهرباء عبر الطبقة السطحية للمجس والتي تسببها جزئات الغاز التي التصقت به. وبالتالي فان زيادة المساحة السطحية تؤدي الى زيادة حساسية المجس. مما وجه اهتمام العلماء الى ما يسمى بمعجزة القرن الواحد والعشرين الى انابيب الكربون النانوية حيث، يمكن الكشف عن التغيير في الخصائص الكهربية لانابيب الكربون النانوية أو المواد المركبة منها عند تعرضها لغازات معينة بطرق عديدة.

انابيب الكربون النانوية

تنتمي انابيب الكربون النانوية إلى أسرة هياكل الفوليرين. هناك نوعان من الأنابيب النانومترية : أنابيب الكربون النانوية وحيدة الجدران (SWCNTs    ) وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (     (MWCNTيمكن اعتبارSWCNT     كطبقة بسمك ذرة واحدة من الجرافيت مطوية في شكل اسطوانة بقطر عدة نانومترات، بطول 1-100 ميكرون. تتركب أنابيب الكربون النانوية متعددة الطبقات     MWCNTs من طبقتين إلى عشرات الطبقات من الجرافيت مرتبة على شكل إسطوانات الواحدة داخل الأخرى مع وجود مسافات فاصلة بين الطبقة والأخرى حوالى .34     nm.36 – بحيث يكون لها نفس المحور المركزي. هيكل الأنابيب الكربونية يمنحها العديد من الخواص المميزة فمن الناحية الميكانيكية تعتبر الياف انابيب الكربون النانوية أقوى وأصلب الألياف المعروفة حاليا فالرابطة بين ذرة الكربون والكربون الأخرى فى تركيب الأنبوبة أقصر من الرابطة فى حالة الماس، مما يرجح أن أنابيب الكربون النانوية أقوى من الماس حيث أن قوة الرابطة تزداد كلما قصرت.. حراريا، تتميز أنابيب الكربون النانوية بدرجة عالية من الثبات الحراري في كل من الفراغ والهواء.  

من حيث الخصائص الكهربائية ،فهي قد تحمل صفات العناصر المعدنية أو شبه الموصلة ، وذلك حسب قطر الأنبوب وكيفية لفه (الاتجاه الذي يتم به لف ورقة الجرافيت على شكل أنبوب) فأنبوبة الكربون النانوية أحادية الطبقة لها 3 أشكال أو ترتيبات للذرات بداخلها     وهىzigzag     ،     chiral     ،   armchair وذلك له تأثيره على خواصها الكهربية.. خاصية العزل في الأنابيب النانوية متباينة جدا وذلك بسبب هياكلها التي تكاد تكون ذات بعد واحد مما يمكنها من حمل تيارات عالية بتاثيرلت حرارية ضئيلة جدا.

تصميم المجسات

استخدمت العديد من التقنيات لبناء المجسات تباينت ما بين تقنيات النانو الحديثة الى عمليات التصنيع اليدوية ولكن اجمالا فان عملية التصنيع تتلخص في ترسيب طبقة من المادة الفعالة (انابيب الكربون النانوية) على رقيقة من السيليكون مرسب عليها مسبقا أقطاب من الذهب بنمط معين كما في الشكل التالي:

امتزاز الغاز بأنابيب الكربون النانوية

عادة، ما ترتبط أنابيب الكربون النانوية في شكل حزم بقوة فان ديرفال وبالتالي تكون هناك اربع مناطق أساسية يمكن ان تتركز بها الغازات كما هو موضح في الشكل

1.المسام الداخلية لكل انبوب.

2.السطوح الخارجية لحزمة الانابيب.

3.الأخاديد التي تتكون في مناطق اتصال الانابيب معا لتكوين الحزمة.

4.القنوات التي تتكون عند التقاء ثلاث انابيب معا في الحزمة.

الية عمل مجسات انابيب الكربون النانوية

يتم تحديد الخصائص الالكترونية لانابيب الكربون النانوية من قيمة معامل الالتفاف ونصف قطر الانبوب كما اوضحنا سابقا ومع ذلك، فقد ثبت بالتجربة أن الخصائص الإلكترونية تتأثر بشدة بالوسط الكيميائي الذي تتواجد به هذه الأنابيب، وخاصة تعرضها لغاز الاكسجين فقد وجد أن العديد من الصفات الكهربية كالمقاومة الكهربائية، والقدرة الحرارية والكثافة المحلية السطحية يمكن أن تتغير بطريقة مستردة من خلال تعرضها لتركيزات صغيرة جدا من الاوكسجين، كما وجد انه من الممكن تحويل انابيب الكربون النانوية شبه الموصلة إلى معادن من خلال التعرض للاكسجين في درجة حرارة الغرفة أظهرت التجارب أيضا أنه بوضع انابيب الكربون النانوية في وسط مفرغ عند درجة حرارة 500 كلفن بعد تخزينها في الهواء فان قيمة القدرة الكهربية الحرارية لها تنخفض بصورة ملحوظة. جميع هذه التجارب تؤكد فعالية انابيب الكربون النانوية في الكشف عن الغازات ولكن لوحظ انه من الأفضل استخدام انابيب الكربون المطعمة بالاكسجين وليس انانبيب الكربون النقية.

عمل هذه الانابيب يعتمد على التفاعل بين أنابيب الكربون النانوية وجزيئات الغاز التى ينتج عنها تغير فى التوزيع الالكترونى للكربون والذى ينشأ عنه تغير فى الاشاره الكهربائية بسبب مرور تيار كهربائي او تغيرفى الجهد الكهربائي، وبحساب ذلك التغير قبل وبعد التعرض لجزيئات الغاز أمكن حساب تركيزه بدقه وحساسيه عاليه فقد تصل الى حساب تركيزات ضئيله جدا تصل الى جزء من البليون.

تعزى التغييرات في الحالة الإلكترونية لانابيب الكربون عند التعرض لجزيئات الغاز لنقل الشحنة بين جزيئات الغاز والأنابيب النانوية (جزيئات الغازات اما ان تكون الجهة المانحة أو المستقبلة للإلكترون). ومع ذلك،فقد وجد ان كلا من مقاومة انابيب الكربون النانوية وقدرتها الحرارية تتاثر بشدة بالغازات الخاملة ايضا (N2، H2) حيث يكون من الصعب تبادل الإلكترون مع انابيب الكربون النانوية. وبالتالي فمن المتوقع أن نقل الشحنات بين جزيئات الغاز والأنابيب النانوية يكاد لا يذكر. مما يعني أن التغييرات في المقاومة هي نتيجة للتغيير في عمر الإلكترونات والفجوات (أو بما معناه سرعة انتقال الشحنة). سبب هذه التغييرات الكبيرة في عمر ناقلات الشحنة قد يكون تشتتها المتزايد نتيجة لعدم الانتظام الناتج عن امتزاز جزيئات الغاز أو أو بسبب الفونونات الغير حرارية الناتجة عن اصطدام جزيئات الغاز مع جدار أنابيب الكربون.

وبالتالي نرى ان انابيب الكربون النانوية تستجيب لمجموعة كبيرة من الغازات بحيث تكون هي الجهة المانحة للإلكترون عند امتزازها بغاز O2 and NO2وتكون طاقة الارتباط بين الغاز وانابيب الكربون كبيرة (0.30-1.0ev) ولكن مع الغازات الأخرى مثل NH3، CO2، CO، H2O، N2، H2 تكون انابيب الكربون هي الجهة المستقبلة للإلكترون وتكون طاقة الارتباط ضعيفة نسبيا ((<0.15 eV).

بناء على هذه الملاحظات، فان استجابة انابيب الكربون النانوية لمجموعة متنوعة من الغازات يكون نتيجة للتغير في طاقة فيرمي اما نتيجة لانتقال حاملات الشحنة ما بين الغاز وانابيب الكربون أو عن طريق تزايد التشتت نتيجة وجود شوائب الغاز الملتصقة بانابيب الكربون.. وقد وضعت معادلة لفهم هذا الافتراض

S= S0 +(ρa/ρ0)(Sa- S0)

(1) وحيث، S0هي قيمة القدرة الحرارية الناتجة من مقاومة انابيب الكربون النانوية قبل امتزازها بالغاز ρ0بينما S هي قيمة القدرة الحرارية الناتجة عن مقاومة انابيب الكربون ρaبعد امتزاز الغاز.

خلاصة القول

من الجدير بالذكر هنا أن انابيب الكربون يمكن ان تستخدم أيضا في صناعة المجسات الحيوية للكشف عن العديد من الجزيئات البيولوجية مثل جزيئات الحامض النووي DNA، RNA والبروتين لان جميع هذه الجزيئات تحمل قدر عالي من الشحنات وبالتالي يكون من السهل تبادل الشحنة بينها وبين انابيب الكربون النانوية عند امتزازها بها مغيرا الخصائص الكهربية للانابيب الكربونية بنفس الطريقة كما في حالة الغازات.

رغم الحساسية الشديدة والفعالية التي ابدتها انابيب الكربون النانوية كمجسات للكشف عن الغازات الا انه هناك العديد من التحديات التي لابد من مواجهتها من اجل الوصول بهذه التكنولوجيا الى الأسواق. من ابرز هذه التحديات التغلب على صعوبة تصنيع انابيب كربون نانوية نقية، تقصير زمن الاستجابة عند التعرض للغاز وتقصير الزمن اللازم لكي تعود الانابيب لحالتها الاولى بعد انحسار الغاز.

بقي ان نقول انه ورغم المميزات الكثيرة لهذه المجسات الدقيقة وما قد تحققه من كشف عن الغازات السامة او الانذار المبكر بمخاطر كثيرة قد تنقذ حياة الانسان وتجعلها أكثر أمنا الا انها تحمل في طياتها بعض السلبية حيث ان القدرة المبالغ فيها في الكشف عن النسب الضئيلة جدا من الملوثات والسموم في الهواء الذي ننفسه او الماء الذي نشربه قد تصيب الانسان بنوع من الهوس والوسوسة بحيث يصبح غير قادر على الاستمتاع بحياته.

مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

لمزيد من المعلومات

http://en.wikipedia.org/wiki/Nanosensor

Carbon Nanotube Sensors، Jun Li، Hou Tee Ng،www.aspbs.com/enn

http://www.hindawi.com/journals/js/2009/493904.html

http://www.cpec.nus.edu.sg/myweb/newsletter/news4/development.html

ما هي وظيفة نظارات الرؤية الليلية، وما هي كواشف الألغام الأرضية، وما هي الوسيلة المستخدمة للدراسات الفلكية للكون؟ قد تبدو هذه المواضيع غير مترابطة، ولكنها مشتركة بشيء واحد. في بعض الأحيان كل هذه المواضيع مرتبطة بمدى صغير من الضوء يقع بين الضوء المرئي وامواج الميكروويف في الطيف الكهرومغناطيسي هذا الضوء يعرف باسم الضوء تحت الأحمر infrared light أو الأشعة تحت الحمراء.

الأشعة تحت الحمراء في العالم

عين الإنسان تشعر بالضوء المرئي المكون من الضوء الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي وكل الظلال التي تكون بين هذه الألوان. وهذا الضوء المرئي يعتبر جزء صغير جدا من الضوء في هذا الكون الفسيح. فهناك أمواج الراديو وأشعة اكس وأمواج الميكروويف وهي كلها أنواع مختلفة من الضوء، والذي يعرف بالاسم العلمي المعتمد على مكونات الضوء بالأشعة الكهرومغناطيسية electromagnetic وانتشار مدى هذه الأنواع المختلفة من الضوء كبير جدا ولذلك نقول طيف الأشعة الكهرومغناطيسية عند التحدث عن كل الضوء في الكون، ولكن هذا الطيف الواسع يقسم إلى مناطق كل منطقة محددة بنطاق من الترددات بوحدة الهرتز Hz ويطلق على كل منطقة اسم قد يعود لأحد تطبيقاته مثل أمواج الراديو والمستخدمة في الاتصالات او الضوء المرئي وهو المدى من الترددات التي تستطيع العين ان تبصره وهناك منطقة تحت الحمراء وتلك التي تكون تردداتها اقل من الضوء المرئي وهناك الضوء فوق البنفسجي وواضح إنها المنطقة التي تزيد فيها الترددات عن الضوء المرئي وهناك مناطق من الطيف اكتشفت حديثا مثل أشعة اكس وأطلقت هذه التسمية لكون هذه الاشعة كانت مجهولة فجاءت التسمية x-ray وأحيانا نقول اشعة رونتجين نسبة للعالم الذي اكتشفها. في الشكل أدناه مخطط للطيف الكهرومغناطيسي ونطاق الترددات التي ينتشر فيها كل نطاق وبالمقابل الأطوال الموجية حيث اننا نعلم ان الطول الموجي هو حاصل قسمة سرعة الضوء على التردد.

طيف الاشعة الكهرومغناطيسية

الأشعة تحت الحمراء تعرف باسم Infrared  وتكتب اختصارا IR وهي الأشعة التي تقع في المدى المجاور لمدى رؤية العين كما هو موضح في المخطط اعلاه. ولكن ليس لان العين لا تستطيع إبصار الأشعة تحت الحمراء فإننا لا يمكن ان نستفيد منها، بل بالعكس هناك العديد من التطبيقات التي تعتمد على الأشعة تحت الحمراء.

الرؤية في الليل باستخدام نظارات الرؤية الليلية

   

في الصورة اعلاه مشهد لزرافة وسلحفاة في احدى حدائق الحيوانات عندما تم تصويرها بكاميرا تعمل بالاشعة تحت الحمراء. هذه الصور تظهر المناطق الدافئة في الزرافة ذات الدم الحار وتبدو متوهجة بإصدار اشعة تحت حمراء اكثر بالمقارنة مع السلحفاة ذات الدم البارد.

الرؤية من خلال أجهزة تعمل بالأشعة تحت الحمراء استخدمت في الحروب وفي هذه الصورة نرى قوات عسكرية تداهم احد المنازل في الليل الدامس وترى الأشياء بوضوح كما في الصورة من خلال نظارات ليلية مثبتة على خوذات الجنود.

إذا كنت تبحث عن شخص ما مختبئ في الظلام استخدم نظارات رؤية ليلية وسوف تجده كأنه في وضح النهار. الصور الخضراء التي تنتج من تلك النظارات تمكن القوات الجوية والعسكرية والصيادين وحتى الهواة من رؤية ماذا يحدث في الظلام الدامس. لان هذه النظارات ترى من خلال انبعاث الأشعة تحت الحمراء التي تصدر عن الأجسام عند مختلف درجات الحرارة وبالتالي فهي لا تحتاج إلى مصدر ضوء خارجي يسقط على الجسم لينعكس على العين مثلما ترى العين الأشياء. وهناك ثلاثة أنواع مختلفة من أجهزة الرؤية الليلية كلها تعتمد على الأشعة تحت الحمراء بطرق مختلفة.

(1) التصوير الحراري

اذا كنت في ظلام دامس، فأنت تحتاج إلى استخدام نظارات الرؤية الليلية الحرارية لرؤية الأجسام. مثل الأشخاص والأماكن والأشياء حيث إنها جميعا تصدر أشعة تحت الحمراء تتناسب كميتها مع درجة حرارتها. نظارات الرؤية الحرارية تكون صور الكترونية تعتمد على اختلاف درجات الحرارة للمشهد فالأجسام الحارة تبدو مضيئة أكثر من الأجسام الباردة. وهذا يكون تباين في الصورة يظهر على شاشة النظارة بأي لون سواء الأزرق أو الزهري ولكن اللون الأخضر هو الأكثر استخداما لان حساسية العين للون الأخضر هي الأكثر وبالتالي تتمكن العين بسهولة من فصل الظلال باللون الأخضر عن أي لون أخر.

(2) التصوير في الضوء المنخفض الشدة

نوع آخر من نظارات الرؤية الليلية يعتمد على وجود بعض الضوء في المكان. وتقوم بتكبير إشارة الضوء بنفس الطريقة التي تعمل بها مكبرات الصوت عندما نقوم بزيادة شدة الصوت في جهاز التسجيل مثلا. تقوم هذه النظارات من هذا النوع بالاستفادة من الأشعة المرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة المرئية وكذلك الأشعة تحت الحمراء المتوفرة جميعا في المكان وتستخدم بعض التقنيات الالكترونية لتكبير الإشارات وتكوين الصورة المرئية للمشهد. ونظام النظارات ذات الضوء المنخفض تلك تقوم بتكوين الصورة بدقة عالية باستخدام كل الأطياف المذكورة لتمكن من توضيح الصورة بدرجة كبيرة تتمكن من تحديد هوية أي شخص في المكان في حالة وجود ضوء منخفض جدا لا تستطيع العين المجردة ان تميز الأشخاص به.

(3) الصور بجوار الأشعة تحت الحمراء (القريب جدا للضوء المرئي)

هذه التقنية تعتمد على مصدر للأشعة تحت الحمراء ولاقط او كاشف للأشعة تحت الحمراء. يقوم مصدر الأشعة تحت الحمراء بإصدار ضوء غير مرئي (أشعة تحت حمراء) ويقوم الكاشف بالتقاط الصورة. ويمكنك تخيل فكرة عملها مثل الكاميرا بالفلاش حيث يصدر الفلاش الضوء الذي ينعكس على الجسم وتقوم الكاميرا بالتقاط هذا الضوء وتكوين الصورة للمشهد. وفي هذه الحالة يستخدم فلاش يصدر أشعة تحت حمراء بدلا من الضوء الأبيض. هذه التقنية مفيدة جدا في حالات عندما ترغب في رؤية ماذا يحدث في المكان دون ان تصدر أي ضوء ابيض قد يحذر الموجودين او يزعجهم ويستخدم هذا النظام بكثرة في انظم الحماية في المطارات على سبيل المثال.

صورة توضح الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الرموتكنترول

أتمنى ان يكون هذا الموضوع قد قدم شرحا مبسطا عن جزء من الطيف الكهرومغناطيسي وهو الأشعة تحت الحمراء وكيف تعمل واهم استخداماتها

مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

كيف يعمل الاي باد  iPad

تجربتي مع الاي باد في احد معارض الالكترونيات في المانيا ٢٠١٠

تخيل انك تستيقظ في الصباح، وبدلا من قراءة الأخبار بين طيات الصحف والجرائد الورقية، تجدها قد ارسلت اليك الكترونيا عبر أداة تكنولوجية فائقة، كما يمكنك الحصول على تقارير دقيقة لحظية عن الأسهم الخاصة بك. ثم، في الطريق الى العمل، يمكنك مشاهدة الفيديو أو التسلي ببعض الألعاب.

انه جهاز الاي باد الذي طورته شركة ابل والذي اعتبر حدثا تكنولوجيا هاما لدرجة ان العالم بعد يوم 27 يناير 2010، اعتبر انه نقطة تحول في عالم الحواسيب الشخصية المحمولة، وفي الطريقة التي نستخدم بها وسائل الإعلام الرقمية. انه اليوم الذي أعلنت فيه الشركة إطلاق جهاز الأي- باد الذي طال انتظاره. وكما هي العادة مع منتجات شركة أبل، فقد أحيط جهاز الاي- باد ipad بستار من السرية. وعندما تم رفع الستائر، خرج لنا، جهاز جديد عالق في مكان ما بين الهاتف الذكي والكمبيوتر. وعندها بدأت جميع الأسئلة تتدفق.

للوهلة الأولى، يبدو جهاز الاي- باد وكانه نسخة مكبرة من جهاز اي-فون او اي-بود. رغم انه اكبر بكثير من الجهازين لكنه يبقى أصغر من جهاز الكمبيوتر المحمول. المظهر الأنيق والتصميم الفريد للجهاز يشير بوضوح عن انه من تصميم شركة ابل. ولكن يتساءل الكثيرون: ما هو بالضبط جهاز الاي- باد؟ الجواب السريع هوانه قرص وسائل إعلام رقمي متنقل. ان كنت أصبحت أكثر حيرة بهذه الاجابة، فهذا المقال يهدف إلى إلقاء بعض الضوء على الجهاز الذي بدأت الكثير من الشركات في السعي لانتاج اجهزة منافسة له الا ان مبيعات الاي باد لا زالت تؤكد انه مازال في القمة.

تصميم جهاز الآي- باد ipad

كانت تسمية الجهاز الجديد موضوعا للجدل. حيث تشير التسمية الاي- باد  يشير إلى وجود مفكرة، الا انه يشار اليه عادة بانه قرص. جهاز الاي-باد أكثر من مجرد جهاز اي بود ضخم يعمل باللمس. انه جهاز الوسائط المتعددة المحمول باليد ويضم معظم ما كنت تجده في اي فون وآي بود. شكله الخارجي ياتي ما بين أي- فون وماك بوك المصنوع من الألومنيوم. شاشة الآي- باد ذات ال 9.7 بوصة (24.6 سم)، تأتي أيضا ما بين شاشة الآي- فون وشاشة الماك بوك سواء من حيث الحجم أوالمواصفات الفنية. دعونا ننظر أولا الى شاشة العرض في  مخطط المقارنة أدناه:

كما هو موضح، فان شاشة عرض الآي- باد لها سمات مشتركة مع كل من آي- فون/ آي بود وماك بوك برو. شاشة الآي- باد  تستخدم تكنولوجيا اللمس المتعدد نفسها الموجودة في آي بود وأي فون. للاطلاع على شرح متعمق لهذه التكنولوجيا، القى نظرة على مقال كيف تعمل شاشة المس في جهاز أي فون. رغم أن هناك أوجه تشابه، الا ان شركة أبل قد استخدمت مزيدا من التكنولوجيا في تصنيع شاشات عرض جهاز الآي-باد.

يستخدم جهاز الآي-باد  تكنولوجيا IPS أو  in-plane switching. تتفوق شاشات  عرض IPS على twisted nematic التي توجد عادة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والشاشات المسطحة. تتميز شاشات IPSبدرجة أعلى من الوضوح والقدرة على انتاج المزيد من الألوان وتعدد زوايا المشاهدة. على سبيل المثال، يمكن أن ينظر إلى الآي- باد بوضوح من زاوية 178 درجة. تتميز تكنولوجيا الـ IPS بالطريقة التي ينتقل فيها الضوء خلال البلورات التي تكون شاشات الكريستال السائلLCD. إذا كنت قد ارتديت في أي وقت مضى زوج من النظارات الشمسية المستقطبة، ربما تكون قد نظرت بها الى شاشات الكمبيوتر أو شاشات الكريستال السائل فقط لمشاهدة الصور عليها تختفي كلما قمت بتغيير الزاوية التي تنظر بها للشاشة. هذا مماثل لما يحدث عند زيادة الزاوية التي تنظر بها الى twisted nematic. في المقابل تضمن لك شاشات عرض أجهزة الآي- باد التمتع برؤية واضحة حتى من زاوية رؤية كبيرة تصل تقريبا 180 درجة. كما تدعم تكنولوجيا ال IPS المستخدمة في الآي- باد نظام معالجة الألوان  8 بت في مقابل نظام الـ 6 بت المستخدم في شاشات العرض الأخرى.

يمكنك استخدام أي اتجاه لاستخدام الاي باد حسب التطبيق المستخدم

حتى الآن، نكون قد ناقشنا تصميم جهاز الآي- باد. الآن دعونا نتحدث عما يقوم به الجهاز. إذا كنت معتادا على اي فون أو آي بود ، فقد يكون بامكانك التقاط جهاز الآي- باد والبدء في استخدامه من دون الكثير من المتاعب.

جميع الأجهزة الثلاث تغير اتجاه عرض الصور ببساطة من خلال تدوير الجهاز بواسطة متسارع ذو ثلاثة محاور مدمج بالجهاز، ولكن جهاز الآي- باد  لديه شيئ مميز وهو:  قفل دوران الشاشة. هذا القفل يسمح بان تكون الشاشة اما في وضع عمودي أو افقي.

مثل الآي فون وآي بود ،يتوفر في جهاز الآي- باد  مجموعة مفاتيح كاملة على شاشة لوحة المفاتيح عندما يعمل االجهاز في وضع أفقي، يكون حجم لوحة المفاتيح الافتراضية مسويا تقريبا لحجم لوحات المفاتيح الموجودة في أنظمة الآي-ماك.

وفقا لشركة أبل، فان أجهزة الآي- باد يمكنها تشغيل  معظم التطبيقات والتي يزيد عددها عن 150،000 المتاحة حاليا في الآي فون وآي بود. كما تكون أجهزة الآي- باد مزودة ب 12 تطبيق لللمس المتعدد من تطبيقات الجيل القادم، بما في ذلك متصفح سفاري وبريد بتصميم جديد. كما تشمل أيضا تطبيقات اي تيونز و آي بود فضلا عن يوتيوب، الخرائط ، والمتجر، والمدونات والتقويم وجهات الاتصال وكتب الكترونية.

كما هو الحال في أي من  منتجات أبل، يمكنك ان تتوقع مجموعة متنوعة من الملحقات لجهاز الآي- باد. أحدها، هو حوض لوحة المفاتيح المرتبط مع الجهاز عندما يكون في وضع رأسي. نظام لوحة المفاتيح المدمج يسمح لك باستخدام لوحة مفاتيح كاملة الحجم، ويحول جهاز الآي- باد الى شاشة كمبيوتر. ولكن من المهم أن نشير إلى أن جهاز الآي- باد ليس كمبيوتر. سوف نوضح هذه النقطة أكثر لاحقا في هذا المقال.

الاف التطبيقات المميزة متوفرة للاي باد

الآن، وبعد ان وضحت فكرة جهاز الآي – باد. ما رأيك ان نطلع الآن على بعض المعلومات الفنية؟ في الفقرة التالية دعونا نفصل كل نموذج بمخطط مقارنة شامل. ستجد أنه لا يوجد فروقات كبيرة بين النماذج الست بالطبع باستنثناء السعر.

معلومات جهاز الآي- باد التقنية

جهاز الآي-باد المتوافر للشراء يمكن ان يكون به واحد من أنظمة التخزين ، اما مع واي فاي فقط أو واي فاي والاتصال بالإنترنت عبر شبكات الجيل الثالث G3 بسرعات تصل إلى 7.2 ميغابت في الثانية عبر بطاقة اتصالات صغيرة من طراز مايكرو-سيم أصغر بحوالي 52% من بطاقات سيم SEM القياسية المستخدمة في الهواتف الجوالة التي تتميز بقدرتها على تخزين معلومات أكبر مقارنة بالبطاقات القياسية، بالإضافة إلى دعمها لتقنيات أمنية مميزة، مثل قفل الجهاز عن بعد عبر شركات الاتصالات، بالإضافة إلى دعم أجهزة المجموعة الثانية تقنيات الملاحة الجغرافية جي بي إس GPS . لعل أفضل طريقة لترى ما ستحصل عليه من كل نموذج هي عمل مقارنة بسيطة للميزات:

شريحة الواي فاي والبلوتوث في جهاز الاي باد

كما ترى لا يوجد الكثير من الفروقات بين النموذجين ولكن هناك اشياء قليلة تفصل بينهم أكثرها وضوحا قدرة الاتصال بالانترنت عبر شبكات الجيل الثالث G3.

يعمل نموذج الواي-فاي بنفس الطريقة التي يعمل بها الكمبيوتر المحمول أو نتبووك. جميع الأجهزة الثلاث تتواصل مع الانترنت باتصال لاسلكي من خلال واي-فاي مدمج بها. المستخدم لهذا النموذج من أجهزة الآي- باد سيكون رهنا لقيود قصورالواي فاي نفسها كما في أجهزة الكمبيوتر.بينما  نموذج الآي- باد الذي يستخدم الواي فاي G3 يوفر المزيد من الحرية لتصفح الإنترنت وتصفح البريد الإلكتروني. من خلال استخدام تكنولوجيا لاسلكية مماثلة لتلك المستخدمة في اي فون ،كما يمكنك الاستفادة من شبكة الإنترنت باستخدام خدمة ولكن بتكلفة أكبر، وهنا لن يكون عليك فقط دفع مبلغ إضافي للجهاز القادر على التعامل مع G3  ولكن سيكون عليك أيضا الاشتراك في أحد خطط 3G من خلال خطة IT&T ، وهذا يتوقف على مقدار البيانات التي تريدها. بغض النظر عن الخطة التي تختارها.

إذا كنت قد اخترت  نموذج آي- باد المعتمد على واي فاي + 3G ، لا نتوقع أن تتمشى رافعا الجهاز الى أذنك متصلا باصدقائك. كما في حالة اي فون وآي بود، ستكون قادرا على الوصول إلى جميع مواقع الشبكات الاجتماعية واستخدام البريد الإلكتروني، ولكن الآي- باد ليس هاتفا. ما تدفعه لخدمة 3G يكون مقابل البيانات فقط.

إذا كنت مستخدم جديد لمنتجات أبل ، قد لا تكون متآلفا بعد مع المدير التنفيذي ستيف جوبز. مؤسس شركة أبل هو شخص زئبقي لديه طريقة فريدة للقيام بالأمور. انه مشهور بحب الظهور في المناسبات الإعلامية للشركة، وعندما كشف النقاب عن جهاز الآي- باد من خلال ندوة رئيسية في مارس 2010، تعلق الكثير من الناس بكل كلمة له. في الفقرة التالية سنلقي نظرة على ما قالته بعض وسائل الإعلام والخوض في بعض أوجه القصور التي قد تمنع مالكي الآي  فون أو أجهزة الكمبيوتر المحمول من انفاق الأموال لشراء هذه الأداة الجديدة.

المدير التنفيذي ستيف جوبز. مؤسس شركة أبل عند تقديم الاي باد للعالم كمنتج جديد

الاستجابة الحرجة لأجهزة الآي- باد

أثرت وسائل الإعلام على المنتج كثيرا ولديها الكثير لتقوله. البعض يشكك في فائدة للجهاز، لا سيما بالنظر الى أن وظائفه ليست أكثر بكثير من اي فون. أجهزة الآي – باد لا تزال قاصرة على تشغيل تطبيق واحد في وقت واحد حيث لا يمكنك تشغيل عدة مهام كما في جهاز ماكنتوش أو الكمبيوتر الشخصي. وهذا يحد من انتاجية الجهاز وتجعل الجهاز جوهريا لا بتعدى كونه قاريء الكتروني مع قدرات إنترنت ووسائط متعددة. رغم ما قيل ، فإنه لا يزال من الممكن استخدامه لتدوين الملاحظات وللانتاج كما أن  الصفحات والأرقام متاحة للجهاز بتكلفة إضافية. ومع ذلك ، لا يمكنك تشغيل برنامج معالجة الكلمات، مايكروسوفت وورد (على الرغم من أنه يمكنك  فتح وقراءة وثائق وورد) ، كما لا يمكنك تشغيل البرامج المتقدمة مثل فوتوشوب و غيره كما على جهاز الكمبيوتر الخاص.

اثار الاي باد دهشة الصحفيين عند الكشف عنه في 27 يناير 2010

مع جهاز الآي – باد كما في  كل جهاز محمول آخر من شركة أبل، لا يمكنك استبدال بطارية جهاز الآي – باد. يجب أن نصل الى نهاية عمر بطارية الجهاز ، والتي قدرته أبل بحوالي خمس سنوات بعد ذلك عليك ارسال الجهاز لشركة أبل لاستبدال البطارية. هذا لا يعتبر سيئا حيث ان مدة خمس سنوات تعتبر أطول بكثير مما تخدمه البطاريات في العديد من الأجهزة الأخرى.

تكاليف 3G أيضا يمكن أن تتفاقم بسرعة. دعنا نقول أن  لديك اي فون وأضفت جهاز آي- باد واي فاي +3G. اذا كنت تدفع حوالي 80 دولارا (اعتمادا على خيارات الرسائل النصية) للخدمة من للاتصال بالانترنت والتصالات،  فان اكتفيت بخطة البيانات 250MB لجهازك الآي – باد سيكون عليك دفع 100 $ فقط لخدمات الاتصالات اللاسلكية النقالة. وربما يقترب المبلغ من 150 $ فقط لتغطية تكاليف الاتصالات الرقمية. لذا من الواضح ، أن التكاليف تتضخم بسرعة مع استخدام جهاز الآي – باد. فإذا كان لديك اي  فون ، ستسأل نفسك ما إذا كان جهاز الآي- باد  يستحق التكلفة الاضافية.

اللوحة الرقيمة الاساسية في جهاز الاي باد

لعل الشيء الوحيد الذي قد يمنع جهاز الآي – باد من  سد الفجوة بين الهاتف الذكي والكمبيوتر المحمول هو عدم رغبة أبل بادراج أدوبي فلاش في الجهاز.  تماما كما في اي فون وآي بود، فان جهاز الاي باد لا يدعم عرض فلاش، وهذا يعني أنك لن تكون قادرا على عرض العديد من أشرطة الفيديو على شبكة الإنترنت. الرئيس التنفيذي لشركة أبل ستيف جوبز يدعي أن  الفلاش برنامج ملتوي ويؤدي إلى تعطيل غير ضروري للعديد من البرامج. وقال انه اذا تم استخدام الفلاش في أجهزة الآي – باد  فان الجهاز سوف تعمل لمدة ساعة ونصف ساعة  بدلا من 10 ساعات في كل مرة يكون بها كامل الشحنة.  خلافا لهذه المزاعم ، أشار النقاد إلى أن مستخدمي الفلاش سيكون بامكانهم  التعامل مع اي تيونز فقط باستخدام محتوى لا يتوافر الا من خلال متجر آبل على الانترنت. أبل قد تسمح في نهاية المطاف باستخدام الفلاش على اي فون ، والأي باد و أي  بود، ولكن في الوقت الحالي فان الآي باد تتبع نهج سابقاتها من أجهزة ابل ولا تدعم استخدام الفلاش.

الآن أصبحت تعرف تماما ما هو الآي – باد و كل ما يمكنه القيام به، في المقطع التالي سنلقي نظرة على تأثيره على سوق وسائل الإعلام الرقمية المزدهر والذي يهيمن عليه حاليا جهاز الأمازون.

يعتبر جهاز الآي – باد  أكثر من مجرد قارئ رقمي إلكتروني حيث تأمل أبل في الاستفادة من سوق وسائط الإعلام الرقمية المتزايد والذي يهيمن عليه حاليا الأمازون. ورغم ذلك لا يخطئن من يقول أن الآي باد يعتبر الى حد كبير جهاز وسائط رقمية كامل الخصائص.

يعتبر الأمازون قارئ الكتروني واسع الانتشار ولكن حتى اللحظة، لفهو مخصص فقط لقراءة الكتب الإلكترونية. في المقابل يمكن لجهاز الأي- باد من أبل أن يفعل أكثر من ذلك بكثير. بتوافر مستودع أبل للكتب الالكترونية سيصيح جهاز الاي –باد قارئا الكترونيا منافسا لامازون كندل. ولكن مواد الأمازون متوافرة فعليا في الأسواق، مما يجعل من الممكن بالنسبة لك لشراء الكتب من متجر لها وقراءتها على جهاز الآي – باد.

جهاز رقمي آخر من المؤكد أنه سيتنافس مع جهاز الآي باد في سوق  وسائل الاعلام الافتراضي هو جهاز  Dell’s Mini 5 prototype وهو عبارة عن قرص وسائط متعددة رقمي كبير الشبه بالآي باد،. سيتم طرح هذا الجهاز لاول مرة في وقت ما في عام 2011.  Dell’s Mini 5 prototype أصغر في الحجم، ويعتقد المحللون ان الجهاز الغني بالمميزات سيشغل نسخة ما من نظام تشغيل جوجل الروبوت. والحال هكذا، يرى الكثيرون أن الكتاب الإلكتروني على وشك الانفجار. كما تم الاستغناء عن الكثير من الموظفين العاملين بالصحف لتوفير التكاليف حيث يتم الان التركيز أكثر على المحتوى عبر الإنترنت. وبهذا يمكن للقارئ الالكتروني في نهاية المطاف انهاء صناعة الصحف.

وفي النهاية جهاز الاي باد هو جهاز مفيد وممتع وبمجرد التعامل معه تشعر بالفة يصعب عليك ان تتركه فتصحبه معك في كل مكان في البيت وفي العمل وفي تنقلاتك مع العلم ان جهاز الاي باد لا يغني عن الكمبيوتر وهذا امر طبيعي فلا يمكن ان تنتج الشركات لنا جهاز واحد يغني عن كل الاجهزة حتى لا تضر بمصلحة منتجاتها الاخرى.

مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

لمزيد من المعلومات

http://www.apple.com/ipad/

http://en.wikipedia.org/wiki/IPad

http://www.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/ipad.htm

ميكروسكوب القوة الذرية Atomic Force Microscope AFM) او ميكروسكوب القوة الماسحة Scanning Force Microscopy SFM هو ميكروسكوب ذو قدرة تحليلية عالية وهو احد انواع ميكروسكوبات المجسات الماسحة والذي تحدثنا عن واحد منها وهو الميكروسكوب النفقي الماسح STM في مقال سابق. ولكن هذا الميكروسكوب له قدرة تحليل تصل الى اجزاء من النانومتر حيث انه يفوق حد تكبير الميكروسكوبات الضوئية بأكثر من 1000 مرة. ويعتبر هذا الميكروسكوب متطورا عن الميكروسكوب النفقي الماسح STM. اخترع ميكروسكوب القوة الذرية AFM العالمين Quate و Gerber في العام 1986. وتوفر اول جهاز للاستخدام في المختبرات العلمية في العام 1986. ويعتبر هذا الميكروسكوب الاكثر شهرة كأداة تكبير وقياس وتحريك على المستوى النانوي.

وحديثاً تمكن علماء فيزيائيون في جامعة اوساكا في اليابان من استخدام ميكروسكوب القوة الذرية AFM في التعرف على هوية التركيب الكيميائي وتحديد نوع كل ذرة ومكان تواجدها على المخطط ثلاثي الابعاد لتضاريس سطح المادة على المستوى الذري. وقد اكتشف هؤلاء العلماء ان التفاعلات تشكل بصمة ذرية لتمييز الذرات باستخدام ميكروسكوب AFM.

في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نلقى الضوء عن هذا الجهاز التدقيق وكيف يعمل واهم الاستخدامات التي يمكن ان يقوم بها جهاز ميكروسكوب القوة الذرية.

المبدأ الاساسي

يتكون ميكروسكوب القوة الذرية AFM من ذراع cantilever في نهايته مجس probe مكون من رأس حاد يعرف بالـ tip يستخدم لمسح سطح العينة. تكون الذراع مصنوعة من مادة السليكون او نيتريد السيليكون بنصف قطر في حدود بضع نانومترات. عندما يقترب رأس المجس من سطح العينة تتولد قوة بين رأس المجس وسطح العينة تؤدي هذه القوة الى انحراف في الذراع بناء على قوة هوك. وقد تكون القوة المتبادلة قوة ميكانيكية او قوة فاندرفال او أو قوة شعرية قوة كهروستاتيكية او قوة مغناطيسية أو قوة رابطة كيميائية او قوة كزيمار او غيرها من انواع القوة وهذا حسب نوع السطح الذي يتم دراسته. كما يمكن دراسة العديد من انواع هذه القوة باستخدام مجسات خاصة وعندها يسمى الميكروسكوب باسمها مثل ميكروسكوب القوة المغناطيسية magnetic force Microscope (MFM) او ميكروسكوب المسح الحراري scanning thermal microscopy أو غيره. وفي كل هذه الميكروسكوبات تحدث القوة المتبادلة باختلاف انواعها انحراف في ذراع ميكروسكوب القوة الذرية يقاس هذا الانحراف بواسطة انحراف شعاع ليزر عن مرأة مثبتة على ذراع الميكروسكوب. وشعاع الليزر المنعكس يرصد على مصفوفة خطية من الفوتودايود. Photodiodes. وهناك طرق اخرى لقياس الانحراف مثل مقياس التداخل الضوئي optical interfermetry، او باستخدام بيزوالكترك او مجس سعة كهربية. وحسب طريقة قياس الانحراف يتم تصميم ذراع الميكروسكوب فمثلا لو كانت طريقة القياس تعتمد على الكهرباء الانضغاطية (بيزوالكتروك) فان الذراع تصنع من مواد بيزوالكتروك. ولكن تعتبر طريقة قياس الانحراف بشعاع الليزر الطريقة الادق والاكثر استخداما.

مخطط توضيحي لفكرة عمل ميكروسكوب القوة الذرية

اذا تم مسح المجس عند ارتفاع معين من سطح العينة فقد يكون هناك خطورة على المجس بان يصطدم بالسطح، ولتجنب حدوث هذا يتم استخدام تغذية عكسية للتحكم في المسافة بين المجس وسطح العينة لتحافظ على القة المبتادلة بينهما ثابتة. ويتم تثبيت العينة على قاعدة من مادة بيزوالكترك تحرك العينة في الاتجاه z للحفاظ على قيمة ثابتة للقوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة وكذلك تحريك العينة في البعدين x و y. وهناك انواع اخرى من ميكروسكوبات القوة الذرية تستخدم 3 بلورات بيزوالكتريك كل بلورة مسئولة عن اتجاه من اتجاهات الحركة الثلاثة. وفي التصاميم الحديثة يتم تثبيت الذراع على ماسح بيزوالكتريك افقي في حين يتم تحريك العينة فقط في الاتجاهين x و y. وفي النهاية نحصل على خريطة لمساحة تمثل طبوغرافيا سطح العينة.

صورة توضح ذراع AFM ويبلغ عرضه 100 ميكروميتر ويمكن ان يصل الى 20 ميكروميتر او اقل.

يمكن تشغيل ميكروسكوب القوة الذرية AFM بعدة انماط تشغيل وهذا حسب الاستخدام المطلوب ونوع الفحص المراد. وبصفة عامة يمكن تقسيم انماط التشغيل بنوعين هما نمط التشغيل الاستاتيكي او نمط الاتصال والنوع الثاني هو نمط التشغيل الديناميكي او نمط عدم الاتصال.

انماط التشغيل واخذ الصور Imaging Modes

ذكرنا ان هناك نمطين أساسيين من أنماط تشغيل جهاز AFM وهما النمط الاستاتيكي والذي يتم فيه سحب الذراع عبر سطح العينة ويتم مباشرة قياس تضاريس السطح من خلال الانحرافات في الذراع. والنمط الديناميكي يكون الذراع يتذبذب بالقرب من السطح عند تردد رنيني resonance frequency. ويتم قياس التردد والسعة والطور وتردد الرنيني من خلال القوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة. هذه التغيرات في التردد بالنسبة لتردد المرجعي يعطي معلومات عن خصائص العينة.

النمط الاستاتيكي او نمط الاتصال Contact Mode

في هذا النمط يستخدم الانحراف في رأس المجس كإشارة للتغذية العكسية ولان قياس الاشارة في هذا النمط يتعرض للضجيج يتم استخدام ذراع اقل صلابة لتكبير مقدار اشارة الانحراف. ويقرب المجس من سطح العينة بحيث يحدث قوة تنافر تنتج عن الالكترونات على سطح العينة والكترونات المجس. ويتم الحفاظ على ثبات مقدار القوة التنارية هذه اثناء المسح من خلال المحافظة بقاء الانحراف ثابتاً.

النمط الديناميكي او نمط عدم الاتصال Non-contact Mode

نمط عدم الاتصال في ميكروسكوب القوة الذرية

 

في هذا النمط لا يكون المجسمتصلا مع سطح العينة. بل يكون الذراع متذبذب عند تردد اكبر بقليل من تردد الرنين حيث تكون سعة الذبذبة في حدود بضع نانومتر (اقل من 10 نانومتر). وتكون القوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة هي قوة فاندرفال van der Waals وهي تكون مسيطرة عند تلك المسافة أي في حدود 1 الى 10 نانومتر فوق سطح العينة، وهذه القوة تعمل على تقليل تردد الرنين للذراع. هذا الانخفاض في تردد الرنين يستخدم في نظام التغذية العكسية الذي يقوم بالحفاظ على جعل سعة الاهتزازة ثابتا من خلال اعادة ضبط المسافة بين المجس والسطح. وبقياس المسافة بين المجس والسطح اثناء المسح في الاتجاهين x,y يتم رسم الصورة لطبغرافية سطح العينة باستخدام برامج معدة لذلك.

في هذا النمط لا يتعرض رأس المجس لأي ضرر لا نه لا يحتك مع سطح العينة مثلما يحدث مع النمط السابق. وهذا يجعل من نمط التشغيل الديناميكي مفضل اكثر وخصوصا في حالة التعامل مع العينات اللينة. ولكن في حالة العينات الصلبة فان الصور التي تؤخذ بكلا النمطين تكونا متماثلتين. ولكن اذا وجدت طبقة نانوية من مادة سائلة على سطح العينة فان النمطين سوف يعطيا صورا مختلفة بعض الشيء. لان المجس في النمط المتصل يخترق طبقة السائل ليعطي صورة للسطح الاسفل منها، في حين ان النمط غير المتصل سوف يتذبذب فوق السطح ويعطي صورة لكلا من السائل والسطح معا.

نمط النقر Tapping Mode

سلسلة بوليمر مفرد, (بسمك 0.4nm)، سجلت بنمط النقر Tapping mode في وسط مائي عند قيم pH مختلفة

في اغلب الاحيان تتكون طبقة مائية فوق سطح العينة. ولأننا نجعل رأس المجس قريب جدا من العينة للحصول على اشارة لمقياس القوة المتبادلة فانه من المحتمل ان يلتصق رأس المجس في العينة ولمنع هذا من الحدوث تم تطوير النمط الغير متصل بنمط النقر tapping mode وذلك للتغلب على هذه المشكلة.

في نمط النقر تتذبذب الذراع للأعلى والاسفل بالقرب من تردد الرنين وتكون سعة الذبذبة اكبر من 10 نانو متر حيث تتراوح بين 100 و200 نانومتر. ونظرا للقوة المتبادلة التي تؤثر على الذراع عند اقترابها من سطح العينة فان قوة فاندرفال او قوة ثنائيات القطب المتفاعلة او القوى الكهروستاتيكية تتسبب في تغير في سعة الذبذبة وتقل كلما اقترب رأس المجس من سطح العينة. يتم التحكم بارتفاع الذراع بواسطة بيزوالكترك تعمل على ضبط ارتفاع الذراع اثناء مسح العينة. ويعتبر نمط التشغيل هذا نمط متطور عن نمط عدم الاتصال.

عرض يوضح فكرة عمل ميكروسكوب القوة الذرية بالأنماط المختلفة

قياس انحراف ذراع ميكروسكوب القوة الذرية

قياس انحراف الشعاع في جهاز AFM

ينعكس شعاع ليزر دايود على الجانب الخلفي للزراع ويتم التحكم فيه من خلال كاشف حساس للموضع position sensitive detector (PSD) يتكون من فوتوديودين موضوعين بالقرب من بعضهما البعض والمخرج من كل فوتودايود موصل في مكبر differential amplifier. الازاحة الزاوية للذراع تجعل احد الديودين يلتقط اشارة اكبر من الديود الاخر. وهذا يعطي اشارة تتناسب مع انحراف الذراع. وتصل حساسية الجهاز الى كشف انحراف اقل من 10 نانومتر. ويمكن تكبير التغير في زاوية الشعاع بزيادة طول مسار شعاع الليزر بضع سنتيمترات.

عرض يوضح عمل ميكروسكوب القوة الذرية

مطياف القوة Force Spectroscopy

بالإضافة الى استخدام ميكروسكوب القوة الذرية في الحصول على صور على المستوى الذري يستخدم الميكروسكوب في تحليل القوة، فعلاقة قياسات القوة بين رأس المجس وسطح العينة كدالة في المسافة بينهم نحصل على نتائج تعرف باسم منحنى القوة والمسافة force-distance curve. في هذه الطريقة يتم مد رأس المجس وسحبه عن سطح العينة اثناء مراقبة انحراف الذراع كدالة في ازاحة البيزوالكتريك. هذه الوظيفة استخدمت في قياسات على المستوى النانوي مثل الروابط الذري وقوى فانردفال وقوى كايسمر وقوى التحلل في السوائل والجزيئات المفردة وقوى التمدد والتمزق. وهذه القوة صغيرة جدا في حدود البيكونيوتن piconewton ولا يمكن قياسها باي جهاز اخر والان اصبح قياسها بجهاز AFM وعلى وبدقة تحليلية تصل الى 0.1 نانومتر. يمكن الحصول على قياسات مطياف القوة في كلا نمطي التشغيل الاستاتيكي والديناميكي.

التعرف على الذرات وتميزها

صورة بلورة كلوريد صوديوم بواسطة ميكروسكوب القوة الذرية

يستخدم مقياس القوة الذرية AFM للحصول على صور للذرات ولتحريكها ايضا على اسطح المواد. فالذرة على رأس المجس تتحسس الذرات ذرة ذرة على سطح العينة وتشكل قوة كيميائية مع كل ذرة. ولان هذه التفاعلات تغير بشكل دقيق تردد اهتزاز رأس المجس، فإنها يمكن ان تقاس وترسم. وعلى هذا الاساس تم التميز بين ذرات السليكون والتن والرصاص على سطح سبيكة، من خلال مقارنة البصمات الذرية وتكبيرها. حيث تم ملاحظة ان رأس المجس يتفاعل مع ذرات السليكون بقوة في حين يتفاعل مع ذرات التن والرصاص بقوة اقل. ولهذا فان الذرات المختلفة يمكن ان تتميز في صورة مصفوفة اثناء مرور رأس المجس على سطح العينة.

المزايا والعيوب

ميكروسكوب القوة الذرية AFM له عدة مزايا عن الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM. كما انه ليس مثل الميكروسكوب الالكتروني الماسح الذي يوفر صور ثنائية الابعاد فميكروسكوب القوة الذرية يعطي صور ثلاثية الابعاد للسطح، بالإضافة الى ان العينات لا تتطلب معاجلة خاصة مثلما يحدث في الميكروسكوب الالكتروني كتغطيتها بالكربون او الذهب وهذا يفسد العينة, كما ان الميكروسكوب يعمل في الظروف العادية في حين ان الميكروسكوب الالكتروني يتطلب ان يعمل في الفراغ. وهذا جعل ميكروسكوب القوة الذرية جهازا لدراسة الخلية الحية. وميكروسكوب القوة الذرية يمتلك قدرة تحليلية عالية تفوق قدرة SEM وSTM.

أول ميكروسكوب قوة ذرية

ومن عيوب جهاز AFM بالمقارنة مع جهاز SEM هو حجم الصورة. فجهاز SEM قادرا على مساحة تصل الى بضع مليمترات وبعمق يصل إلى بضع مليمترات الا ان جهاز AFM يعمل على مساحة 150×150 مايكرومتر وبعمق 10-20 ميكروميتر. ولكن هذا العيب تم التعامل معه من خلال تطوير اجهزة AFM بواسطة شركة IBM تعمل بمجسين متوازيين.

كما ان استخدام رأس مجس tip غير مناسب قد يعطي بعض العيوب في الصورة الناتجة. بالإضافة الى ان AFM يعمل ببطء بالمقارنة مع SEM الذي يعطي صورة حية للعينة فان AFM يتطلب ان يعمل لبضعة دقائق حتى يعطي صورة. وهذا التأخير يؤدي الى انزياح حراري في الصورة مما يجعل ميكروسكوب القوة الذرية غير مناسب للقياسات الدقيقة للمسافات الطوبوغرافية على الصورة. ويتم تطوير اجهزة AFM للتغلب على هذه المشكلة بأجهزة تعرف باسم videoAFM والتي تعمل بسرعة فاقت سرعة SEM.

تتأثر صور AFM بالتخلف hysteresis في المواد البيزوالكتريك والتداخل في الاشارات الملتقطة لكل من x,y اثناء المسح ولكن هذا تم التغلب عليه باستخدام برمجيات متطورة وفلاتر خاصة او باستخدام ماسحات متعامدة منفصلة.

ماسح البيزوالكتريك Piezoelectric هو عبارة عن ماسح من مادة بيزوالكتريك وهي مواد تنضغط وتتمدد بتطبيق فرق جهد كهربي وهذه الخاصية تستخدم في تحريك رأس المجس على العينة بدقة عالية. وقد تم شرح فكرة عمل البيزوالكتريك في مقال كيف تعمل الكهرباء الانضغاطية.

في النهاية نلاحظ كيف ان الميكروسكوبات تختلف باختلاف الطريقة التي تقوم بها بالحصول على الصورة وفي هذا المقال قمنا بشرح فكرة مبسطة عن ميكروسكوب القوة الذرية والذي مكن العلماء من رؤية الذرات والتميز بينها والتحكم بها الذي فتح الباب امام تكنولوجيا النانو لتدرس المواد على المستوى الذري وفهم الكثير من خصائصها.

أرجو نشر هذا المقال لتعم الفائدة على الجميع مع العلم بان الأجر والثواب ينالك إذا تم النقل بحفظ حقوق الكاتب والمصدر.

مع خالص التحية والاحترام

دكتور حازم فلاح سكيك

مقاطع فيديو توضح فكرة عمل الميكروسكوب النفقي الماسح STM

مراجع مفيدة لمزيد من المعلومات

http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscopy

http://www.asu.edu/news/research/afm_081704.htm

http://jila.colorado.edu/research/highlights_archive/2009_spring/atomicForceMicroscope.html

http://www.nanoscience.com/education/afm.html

 

عندما نتحدث عن الميكروسكوب فان اول ما نفكر به هو جهاز الميكروسكوب الذي نعرفه في مختبرات المدراس والذي يعمل بتكوين صورة ضوئية عن العينة المراد النظر لها بشكل مكبر، ومع تقدم العلم وتطوره اصبح بالإمكان ان نحصل على تكبير يفوق أي توقع. في بدايات القرن العشرين مع اكتشاف الفيزياء الحديثة والخاصية المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي والجسيمات المادية ونظرية ميكانيكا الكم التي تدرس الاجسام على المستوى الذري الدقيق اصبح بالإمكان تصميم ميكروسكوب يعمل على التكبير بدرجة عالية جدا تصل الى مئات الاف المرات وهي تعتمد على استخدام موجة الالكترون وقد تحدثنا عن الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM والميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM وتوالت الاكتشافات ليظهر لنا في العام 1981 ميكروسكوب جديد من حيث فكرة عمله ومن حيث امكانياته وقدراته واستخداماته المتنوعة هذا الميكروسكوب يعرف باسم الميكروسكوب النفقي الماسح scanning tunneling microscope او STM.

يعتبر جهاز الميكروسكوب النفقي من الاجهزة الاساسية في علم النانوتكنولوجي والذي ساعد في دراسة المواد على المستوى الذري وفي بناء وفحص التراكيب النانوية. وتعتمد فكرة عمله على مبدأ النفق الكمي quantum tunneling. فعندما يقترب طرف المجس الموصل للكهرباء والذي يعرف باسم tip من السطح المراد فحصه يطبق فرق جهد بين السطح وطرف المجس tip يسمح بمرور الالكترونات من خلال نفق في الفراغ بينهما. تيار الالكترونات هذا تعرف باسم التيار النفقي tunneling current. يعتمد التيار النفقي على موضع المجس بالنسبة للسطح وعلى فرق الجهد المطبق وعلى الكثافة الموضعية للعينة.

في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل جهاز الميكروسكوب النفقي STM وانماط تشغيله كما سوف نتعرف على الاجهزة التي تعمل على نفس فكرة عمله.

صورة توضح سلسلة من ذرات Cs الحمراء على سطح GaAs

صورة لسطح نظيف من الذهب بواسطة جهاز STM

صورة STM لسلسلة جزئيات تجمعت بشكل ذاتي لشبه موصل عضوي على الجرافيت

الميكروسكوب النفقي الماسح والذي اسمه العلمي scanning tunneling microscope والذي يعرف بالاختصار STM هو اداة قوية للحصول على صور لأسطح المواد على المستوى الذري. تم اختراع هذا الجهاز في العام 1981 على يدي العالمين Gerd Binnig و Heinrich Rohrer في شركة IBM. وحصلا على جائزة نوبل في عام 1986 لاختراعهما هذا الجهاز الذي سمح لأول مرة برؤية الذرة وفي الابعاد الثلاثة. يتمتع جهاز STM بقدرة تحليلية عالية تصل إلى 0.1nm وعمق يصل الى 0.01nm. وبهذه القدرة التحليلية العالية يمكن ان نحصل على صور للذرات داخل المواد هذا بالإضافة الى التحكم في الذرات وتحريكها.

المعلومات التي نحصل عليها من جهاز STM هي مراقبة التغير في التيار النفقي عند مسح سطح العينة بالمجس وتعرض البيانات في شكل صورة. يتطلب تشغيل جهاز STM درجة عالية من النظافة والاستقرار للسطح ولهذا يتم تشغيل الميكروسكوب في مفرغة هواء vacuum chamber ويكون المجس حاد جدا بحيث يكون طرفه بسمك ذرة او ذرتين، ويتصل المجس بأجهزة تحكم دقيقة لتحريكه في الابعاد الثلاثة بالنسبة للعينة وتستخدم ايضا الكترونيات متطورة لرصد التيار وترجمة التغيرات فيه الى صورة.

العالم Heinrich Rohrer على اليسار والعالم Gerd Binnig على اليمين في مختبرات شركة IBM توضح اول جهاز STM تم تصميمه في العام 1981 وحصلا على جائزة نوبل لهذا الاختراع في 1986. الجهاز الذي مكن العلماء لاول مرة من رؤية الذرات في المادة والتحكم فيها ليكون جهاز بناء التراكيب النانوية وفحصها.

تركيب الجهاز

يشمل تركيب جهاز STM على المجس الماسح tip وماسح يعمل بالكهرباء الانضغاطية piezoelectric للتحكم في الارتفاع وفي الابعاد السطحية x و y، وجهاز التحكم في المسافة بين مجس المسح وسطح العينة، ونظام العزل من الاهتزازات، وكمبيوتر.

مخطط يوضح كيف يعمل جهاز STM

تعتمد القدرة التحليلية لجهاز STM على نصف قطر تحدب المجس الماسح tip. ويلعب المجس الماسح دورا اساسيا في الحصول على صورة نقية وتبلغ دقة المجس الماسح درجة متقدمة وذلك حين تحتوي نهايته على ذرة واحدة فقط. فاذا كانت بسمك ذرتين فقد نحصل على صورتين معا مما يشكل زيغ في الصورة المتكونة ولضمان الحصول على ذرة في نهاية المجس فقد استخدمت لهذا الغرض انابيب الكربون النانوية للحصول على مجسات ماسحة لعمل الجهاز.

يصنع المجس الماسح من مادة التنجستين او من البلاتينيوم والاريديوم او الذهب. تستخدم طريقة النحت الكهروكيميائي electrochemical etching في حالة مجسات التنجستين بينما تستخدم طرق ميكانيكية في حالة المجسات المصنوعة من البلاتينيوم والاريديوم.

ونظرا لحساسية التيار النفقي البالغة للتغير في الارتفاع، يجب عزل المجس عن الاهتزازات او تثبيت الجهاز على قاعدة صلبة للحصول على نتائج مفيدة. في اول جهاز STM صمم بواسطة العالمين Binnig و Rohrer استخدمت رافعة مغناطيسية للحفاظ على الجهاز بعيدا عن أي اهتزازات، والان تستخدم زنبركات ميكانيكية او زنبركات غازية. كما يتم ايضا استخدام وسائل للتقليل من التيارات الدوامية eddy currents.

للحفاظ على موضع المجس بالنسبة للعينة والتحكم في عملية مسح سطح العينة بالمجس والحصول على البيانات يتم استخدام كمبيوتر. كما ان الكمبيوتر يستخدم لتحسين الصورة باستخدام برامج معالجة الصورة والقيام بالقياسات الكمية على العينة.

كيف يعمل جهاز STM

في البداية يطبق فرق جهد على المجس الماسح ليتحرك عموديا في اتجاه سطح العينة وعندما يصبح على بعد مسافة صغيرة جدا من سطح العينة يتوقف المجس. تبدأ بعد ذلك مرحلة التحكم الدقيق في حركة المجس في الابعاد الثلاثة بالقرب من العينة ويستخدم بيزوالكترك للحفاظ على المسافة ثابته بين المجس والعينة في حدود 4 الى 7 انجستروم. في هذه الحالة يعمل فرق الجهد على دفع الالكترونات للتحرك النفقي بين رأس المجس tip والعينة، مما ينتج عنه تيار نفقي يمكن قياسه. عندما يبدأ التيار النفقي يمكن تغيرموضع رأس المجس بالنسبة لسطح العينة ويتم رصد التغيرات في التيار النفقي الناتج.

اذا تحرك رأس المجس عبر العينة في المستوى x-y، فان التغيرات في ارتفاع السطح وكثافته تحدث تغيرات في التيار النفقي. هذه التغيرات يتم رصدها ورسمها في شكل صورة. ويمكن ان تتم عملية رسم الصورة اما من خلال قياس التغيرات في التيار النفقي بالنسبة لسطح العينة عند ارتفاع ثابت بين رأس المجس والعينة او من خلال رصد التغير في الارتفاع z عند جعل التيار النفقي ثابت من خلال تغير ارتفاع رأس المجس بالنسبة لسطح العينة. وهذين النمطين من انماط التشغيل يعرف باسم نمط الارتفاع الثابت constant height mode أو نمط التيار النفقي الثابت . في نمط التيار الثابت تقوم اجهزة التغذية العكسية الالكترونية باعادة ضبط ارتفاع رأس المجس من خلال تعديل قيمة الجهد على البيزروالكتريك الذي يتحكم في الارتفاع. وهذا يؤدي الى الحصول على التغيرات في الارتفاع. الصورة التي نحصل عليها من رأس المجس هي صورة تضاريس سطح العينة وتعطي كثافة شحنة سطحية ثابتة وبالتالي فان التباين في الصورة يكون نتيجة للتغيرات في كثافة الشحنة.

في نمط الارتفاع الثابت يتم تثبيت كلا من فرق الجهد والارتفاع في حين يتم قياس التغيرات في التيار النفقي خلال مسح رأس المجس لسطح العينة، وهذا يؤدي الى الحصول على صورة للتغيرات في التيار النفقي على السطح، والتي ترتبط بكثافة الشحنة.

مسح المجس لسطح العينية على المستوى الذري في جهاز STM

كل الصور التي يتم الحصول عليها بجهاز STM هي صورة بتدرجات رمادية وللحصول على صورة ملونة يتم استخدام برامج كمبيوتر لابراز الميزات المهمة المراد اظهارها في الصورة.

 بالإضافة الى عملية المسح لسطح العينة فان المعلومات التي ترصد بواسطة الاجهزة الالكترونية تكون دالة في الموضع بالنسبة لسطح العينة وعند كل موضع على سطح العينة يتم تغير الجهد الكهربي ورصد التغير في التيار. وهذه القياسات تعرف باسم طيف المسح النفقي scanning tunneling spectroscopy وتعرف بالاختصار STS وينتج عنها مخططات توضح كثافة المستويات كدالة في الطاقة داخل العينة. وتتميز تقنية STM عن اجهزة قياس كثافة المستويات في قدرتها على اخذ قياسات موضعية بشكل دقيق، فعلى سبيل المثال يمكن قياس كثافة المستويات في موضع يوجد فيه شوائب في العينة ومقارنتها مع موضع اخر لا يوجد فيه شوائب على نفس سطح العينة.

في العام 1989 كتب العالمين Eigler and Schweizer اسم شركة IBM بالذرات باستخدام 35 ذرة زينون على سطح النيكل

عرض فيديو يوضح فكرة عمل المجس الماسح في الميكروسكوب النفقي الماسح

استخدامات اخرى لجهاز STM

صورة توضح شعار مركز علوم النانو CeNS كتب بواسطة الذرات باستخدام جهاز STM

العديد من اجهزة الميكروسكوب تم تطويرها بالاعتماد على فكرة عمل جهاز الميكروسكوب النفقي STM. ومن هذه الاجهزة جهاز ميكروسكوب الماسح الفوتوني photon scanning microscopy والذي يعرف بالاختصار PSTM، ويستخدم مجس ضوئي tip ليشكل النفق الذي تنتقل عبره الفوتونات، وجهاز ميكروسكوب الجهد النفقي الماسح scanning tunneling potentiometry والذي يعرف بالاختصار STP، والذي يقوم بقياس الجهد الكهربي عبر العينة، وجهاز ميكروسكوب غزل الاستقطاب النفقي الماسح spin polarized scanning tunneling microscopy والذي يعرف بالاختصار SPSTM والذي يستخدم مجس فرومغناطيسي ليعمل كنفق للإلكترونيات المغزلية المستقطبة في المجال المغناطيسي للعينة، وجهاز ميكروسكوب القوة الذرية atomic force microscope والذي يعرف بالاختصار AFM والذي فيه يتم قياس القوة الناتجة عن التفاعل بين المجس وسطح العينة على المستوى الذري.

الطرق الاخرى من STM تقوم على فكرة التحكم في المجس ليحدث تغيرات في طبوغرافيا سطح العينة. وهذه الطرق جذبت العلماء لعدة اسباب وهي:

اولا يمتلك جهاز STM على نظام دقيق لتحديد الموضع على المستوى الذري مما يسمح بالتحكم في الذرات بشكل دقيق.

ثانياً بعد ان يتم تعديل سطح العينة باستخدام المجس الماسح يمكن اخذ صورة للسطح الجديد بنفس المجس الماسح بدون ان يتم تغير الجهاز.

وبهذا تمكن باحثون في شركة IBM من تطوير طريقة للتحكم في ذرات الزينون على سطح النيكل. وهذه الطريقة استخدمت لتطويق الالكترونات حول عدد من الذرات، والتي مكنت جهاز STM من استخدامه لمراقبة تذبذبات الالكترونات والتي تعرف باسم electron Friedel Oscillations على سطح المادة. كما يمكن استخدام تقنية STM كنفق لشعاع الكتروني موجه على عينة لعمل طباعة ذرية lithography على سطح العينة. وهذه تعتبر تقنية متقدمة كثيرا عن تقنية الطباعة بالشعاع الالكتروني التقليدية. ومن التطبيقات العملية لجهاز STM استخدامه في ترسيب ووضع الذرات مثل الذهب والفضة وغيرها على شكل مفضل مبرمج مسبقا لعمل الوصلات الكهربية للأجهزة النانوية او حتى لصناعة اجهزة نانوية بالكامل.

صورة الرجل الجزئي والذي طوله 45 انجستروم والتي تم بناؤها باستخدام 28 جزئ اول اكسيد الكربون على سطح من البلاتينيوم.

مؤخرا مجموعة من الباحثين تمكنوا من استخدام مجس STM للتحكم في اتجاه الروابط بين الجزئيات بشكل منفرد. هذا بالاعتماد على أن المقاومة الكهربية للجزئيات تعتمد على اتجاه الروابط وبالتالي تمكنوا من وضع الاسس اللازمة للحصول على مفاتيح كهربية switch من الجزئيات يمكن استخدامها في الكمبيوترات البيولوجية.

وفي نهاية هذا المقال أتمنى أن أكون قد قدمت شرحا مبسطا لفكرة عمل جهاز STM والذي يستخدمه الكثير من الباحثين في مختلف التخصصات وللعديد من الاغراض.

أرجو نشر هذا المقال لتعم الفائدة على الجميع مع العلم بان الأجر والثواب ينالك إذا تم النقل بحفظ حقوق الكاتب والمصدر.

 

مع خالص التحية والاحترام

دكتور حازم فلاح سكيك

مقاطع فيديو توضح فكرة عمل الميكروسكوب النفقي الماسح STM

 

 مراجع مفيدة لمزيد من المعلومات

http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

http://scholar.lib.vt.edu/ejournals/SPT/v8n2/hennig.html

http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/stm_schematic.html

http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/stm_gallery/animated_stm

http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/STM_tutorial.htm

في العام 1993، اتهم Charles Smithart بقتل فتاة تبلغ من العمر 11 عاما في مدينة Glennallen في السكا. المدعي العام شك في الجاني Smithart لأنه تواجد في موقع الحادث، ولكنهم لم يمتلكوا الدليل القاطع على ارتكابه الجريمة. وهنا يأتي دور الميكروسكوب الالكتروني الماسح scanning electron microscope والذي يعرف بالاختصار SEM.

باستخدام كاشف طيف أشعة اكس الموجود في جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح، يتمكن الطبيب الشرعي من تحليل المعادن الصغيرة التي قد توجد في مكان الجريمة. ومن هنا تمكن الطبيب الشرعي المكلف في جريمة المدعى عليه Smithart من إيجاد بعض القطع المعدنية ذات الشكل الدائري والتي غالبا ما تنتج في عمليات لحام المعادن أو عند سنها. وبعد التحقيق وجد أن المدعى عليه Smithart يمتلك منصة لحام في محله الذي اعتاد في الكثير من الأحيان إصلاح الدراجات الهوائية لأطفال المنطقة التي يعيش فيها. وبهذا يتوجب التقدم بالشكر والتقدير لجهاز الميكروسكوب الالكتروني الذي ساهم في تقديم الدليل القاطع على إدانة المتهم في الجريمة.

لماذا جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح وليس جهاز ميكروسكوب ضوئي عادي والمتوفر في المدارس والجامعات استخدم لفحص دليل إدانة Smithart؟ لسبب واحد فقط فان الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM يكبر الأشياء لدرجة تصل إلى 300,000 مرة. ويشير العلماء إلى هذا الرقم بمصطلح يعرف باسم قوة التكبير magnification power ويشار للرقم بالشكل التالي 300,000x، بالمقابل فان قوة التكبير في الميكروسكوب الضوئي لا تتجاوز بضعة مئات فقط. جهاز SEM يمتلك عمق تبئير كبير depth of field بالمقارنة مع الميكروسكوبات التقليدية، مما يعني إمكانية الحصول على صور ثلاثية الأبعاد وتحليلها، في حين الميكروسكوب الضوئي لا يوفر إلا صور سطحية ثنائية الأبعاد. وأخيرا فان جهاز SEM يستطيع أن يرى أكثر من السطح فهو أيضا يعطي معلومات على المركبات التي تدخل في تركيب العينة التي ينظر إليها. كل هذه الميزات أثبتت إنها مهمة جدا في فحص دليل الإدانة في الجريمة التي ارتكبها Smithart.

بالطبع فان جهاز SEM مثله مثل أي جهاز يمتلك بعض العيوب، والتي تتركز في ارتفاع ثمنه. فالجهاز الأرخص منه يكلف عشرات الآلاف من الدولارات وهناك أجهزة متقدمة أكثر يمكن أن يصل ثمنها إلى مئات آلاف الدولارات. كما إن أجهزة SEM أجهزة كبيرة وتحتوي على أجهزة دقيقة ومعقدة، وتتطلب خبرة ودراية عالية لتشغيلها. ونتيجة لهذا فان هذه استخدام هذه الأجهزة مقصورا على المنشآت الصناعية والبحثية، وهذه الأجهزة لها تطبيقات واسعة وأصبحت من الأدوات الأساسية لأي مؤسسة بحثية أو منشأة صناعية.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح مفصل لفكرة عمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM وكيف يستطيع أن يظهر الصور المكبرة بتفاصيل عالية الدقة والتي لا يمكن الاستغناء عنه في الابحاث العلمية وخصوصا تقنية النانو وعلوم المواد والعلوم الاخرى. كما سوف نوضح الاكتشافات الحديثة التي طرأت على هذه التقنية. ولكن قبل الوصول لهذه النقطة لنبدأ بالبدايات مع هذا الجهاز.

تاريخ الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM

تطور جهاز SEM بدأ يبطأ شديد ولم يظهر بشكل مفاجأة. فعندما تم الكشف عن هذه التقنية لأول مرة في عام 1935، توجه المهتمين بهذه التقنية إلى محترفي التسويق وطلبوا منهم أن يقيموا هذه الجهاز الجديد ومدى أهميته وتقدير مدى احتياج السوق له. وبعد الدراسات والأبحاث المتخصص صدر تقرير خبراء التسويق والذي لم يكن متفائلا. فقدروا ان الحاجة لمثل هذا الجهاز لن تتجاوز العشرة أجهزة في كل العالم. إلا انه تبين ان تقدير الخبراء لم يكن في محله. ولحسن الحظ لم يثني هذا التقرير العلماء والباحثين لتطوير هذه التقنية. والآن يصل عدد أجهزة SEM المستخدمة في مختلف المختبرات والمراكز البحثية بأكثر من 50,000 جهاز. والسؤال الآن كيف تمكن هذا الجهاز من الانتشار بهذا القدر بعد ان كانت التوقعات انه لن يرى النور وأصبح أداة علمية هامة وأساسية.

لسبب بسيط هو أن العلماء قد وصلوا في تطويرهم للميكروسكوب الضوئي إلى أقصى قدرة له. فالميكروسكوب الضوئي موجود من عقود من الزمن، ولازلنا نراهم في المختبرات المدرسية ومختبرات البحثية، إلا ان اعتماد هذه الأجهزة على الضوء شكل لها عقبة أمام التطور والوصول إلى قدرات تكبيرية كبيرة. فالضوء يميل إلى ان يحيد diffract أو ينحني عن مساره حول حواف العدسات، وهذا السلوك حدد القوة التكبيرية والقدرة التحليلية لها بشكل كبير لا يمكن التغلب عليه عند الوصول إلى أقصى قدرة تكبيرية أو تحليلية لهذه الأجهزة. ونتيجة لذلك بدأ العلماء في تطوير طرق جديدة لفحص العالم المجهري، ففي العام 1932، تم إنتاج أول جهاز ميكروسكوب الكتروني نافذ transmission electron microscope والذي يعرف بالاختصار TEM وسوف نقوم بشرحه في مقالة منفصلة تحت باب كيف تعمل الأشياء في موقع الفيزياء التعليمي. هذه الأداة توجه شعاع من الالكترونات خلال العينة التي تفحص ومن ثم يتم عرض الصورة الناتجة على شاشة فلوريسنت. أجهزة TEM تشبه كثيرا أجهزة SEM والتي ظهرت أجهزة SEM بعد أعوام قليلة من اكتشاف جهاز TEM.

لم يتوقع العلماء بان جهاز SEM ضروريا بوجود جهاز TEM. وقد اتخذ البروفيسور C.W. Oatley في كلية الهندسة بجامعة كامبردج قرارا غير مترددا بتطوير جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح. وبالعمل المتواصل والمستمر بإشرافه وبمشاركة زملائه في الكلية وعدد من الطلبة تمكن C.W. Oatley من عرض إمكانيات هذا الجهاز الجديد من قوة تكبيرة وقدرة تحليلية وإظهار صور ثلاثية الأبعاد بجودة عالية. واليوم تستخدم أجهزة SEM بشكل يومي في العديد من التطبيقات من فحص العيوب في أشباه الموصلات في الدوائر الالكترونية الدقيقة وحتى الكشف عن كيف تعمل الحشرات.

المركبات الأساسية في جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM

بعد أن تعرفنا على إمكانيات جهاز SEM وتطوره تاريخيا. فإننا الآن أصبحنا جاهزين للتعرف على الأجزاء الأساسية التي يتكون منها هذا الجهاز وكيف تعمل مع بعضها البعض لإظهار الصور الدقيقة والمكبرة. ولكن قبل أن نبدأ في هذا أود أن أوضح إن أجهزة SEM عديدة ومتنوعة إلا إنها تتشارك كلها في الأجزاء الأساسية.

المدفع الالكتروني Electron Gun

المدفع الالكتروني ليس سلاحا كما يبدو من الاسم إلا انه عبارة عن سيل من الالكترونات اللازمة لعمل جهاز SEM. المدفع الالكتروني قد يكون احد النوعين التاليين: المدفع الحراري وهو الأكثر شيوعا ويعمل من خلال استخدام الطاقة الحرارية في فتيلة وغالبا ما تكون فتيلة من التنجسيتن مثل تلك التي في المصباح الكهربي لأنها تمتلك نقطة انصهار عالية، وتعمل الفتيلة عند ارتفاع درجة حرارتها نتيجة لمرور تيار كهربي فيها على إرسال فيض من الالكترونات توجه هذه الالكترونات إلى العينة المراد فحصها. والنوع الثاني هو مدفع المجال الكهربي، حيث يعمل هذا من خلال إنتاج مجال كهربي كبير يعمل على سحب الالكترونات من ذرات المادة التي ستنتج الالكترونات. المدفع الالكتروني بنوعيه يوضح عادة أما في أعلى الجهاز أو في أسفله ويقوم بإطلاق سيل الالكترونات على العينة المراد فحصها. هذه الالكترونات في العادة لا تذهب إلى المكان المطلوب بشكل تلقائي ومن هنا نحتاج إلى توجهها وهذا يقوم به العدسات.

العدسات Lenses

مثل الميكروسكوب الضوئي فان جهاز SEM يستخدم عدسات لإظهار صور دقيقة ومفصلة. والعدسات في هذه الأجهزة تعمل بشكل مختلف تماما. فهي ليست مصنوعة من الزجاج بل هي عدسات مصنوعة من مغناطيسات قادرة على توجيه مسار الالكترونات. وبفعل ذلك تقوم هذه العدسات بتوجيه الالكترونات والتحكم في مسارها، مما يضمن ان تصل الالكترونات إلى المكان المطلوب بدقة.

غرفة العينة Sample Chamber

غرفة العينة في جهاز SEM هو المكان الذي يتم فيه وضع العينة المراد فحصها. ولان العينة يجب ان تكون ثابتة تماما ولا تتعرض لأي حركة حتى تظهر الصور دقيقة وواضحة، فان غرفة العينة يجب ان تكون قوية ومعزولة عن أي اهتزازات. وفي الواقع، فان أجهزة SEM حساسة للغاية ولهذا يتم تركيب هذه الأجهزة وتثبيتها في الطابق الأرضي في المبنى. وبالإضافة إلى وظيفة غرفة العينة في الحفاظ على العينة ثابتة فإنها أيضا تلعب دورا أساسيا في تحريك العينة بزوايا محددة لفحص أجزاء مختلفة فيها دون الحاجة إلى إعادة تثبيتها في كل مرة يراد النظر إلى جزء أو زاوية مختلفة من العينة.

الكواشف Detectors

هنا قد تعتقد ان الكواشف تشبه العدسة العينية في الميكروسكوب الضوئي إلا ان الأمر أكثر تعقيدا فالكواشف المستخدمة في جهاز SEM ترصد تفاعل سيل الالكترونات مع العينة بعدة طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال كواشف Everhart-Thornley ترصد الالكترونات الثانوية، وهي تلك الالكترونات المتحررة من السطح الخارجي من العينة. هذه الكواشف قادرة على إنتاج أدق الصور لسطح العينة. وهناك كواشف أخرى مثل كواشف الالكترونات ذات الاستطارة الخلفية backscattered electron وكواشف أشعة اكس والتي تمكن العلماء من تحليل العينة ومعرفة المركبات الكيميائية الموجودة في العينة.

مفرغة الهواء Vacuum chamber

يتطلب تشغيل جهاز SEM العمل في الفراغ حيث ان الالكترونات يمكن ان تصطدم بجزئيات الهواء ولا تصل للعينة إضافة إلى ان هذه الالكترونات قد تدفع جزئيات الهواء لان تتفاعل مع سطح العينة وبالتالي إفساد العينة وتغير ملامحها.

وكما هو الحال في العديد من الأجهزة فان SEM ليس جهاز يعمل من خلال جمع هذه الأجزاء فقط، ولمعرفة كيف يظهر SEM الصور تابع قراءة المقال………..

كيف يعمل جهاز الميكروسكوب الالكتروني SEM؟

هذه الصورة عبارة عن صورة وردة تظهر تحت المكيورسكوب الالكتروني الماسح وهي في الحقيقة عبارة عن تركيب نانوي ثلاثي الأبعاد. قام العلماء بإنتاج مواد جديدة بتقنية النانوتكنولوجي nanotechnology وهذه الوردة عبارة عن silicon carbide و gallium

يمكن تشبيه فكرة عمل جهاز SEM بآلة نسخ المفاتيح. فعندما تطلب نسخة إضافية لمفتاح من صانع المفاتيح فانه يقوم بوضع المفتاح الأصلي في مكان وتقوم الماكينة بتتبع التفاصيل الدقيقة للمفتاح وتضعها على المفتاح الخام لينتج في النهاية نسخة طبق الأصل عن المفتاح الأصلي. لاحظ أن النسخ لا يحدث في نفس اللحظة إنما يتم على شكل تتبع لطرف وتطبيقه على الطرف الأخر. يمكنك الآن أن تتخيل العينة تحت الفحص هي المفتاح الأصلي. يأتي دور جهاز SEM في استخدام شعاع الالكترونات الناتج عن المدفع الالكتروني وتوجيهه للعينة ومسح سطح العينة ليقوم بعمل نسخة طبق الأصل ولكن هنا يظهر لك النسخة على شاشة تلفزيون. وبدلا من إن يقوم الشعاع الالكتروني بمسح سطح العينة في بعد واحد فانه يقوم بمسح ثلاثي الأبعاد لينتج لك صورة ثلاثية الأبعاد بكل التفاصيل من تجاويف وخدوش وشقوق.

عندما يمسح الشعاع الالكتروني سطح العينة فانه يتفاعل مع السطح وينتزع الكترونات من سطح العينة بشكل محدد. هذه الالكترونات المنتزعة يتم كشفها بواسطة الكاشف عن طريق جذب الالكترونات المتشتتة وبالاعتماد على عدد الالكترونات التي تصل للكاشف، فإنها تسجل درجة معينة من مستوى الإضاءة على الشاشة. وباستخدام مجسات إضافية يتم الكشف عن الالكترونات المتشتشة بالانعكاس عن سطح العينة backscattered وكذلك أشعة اكس المنبعثة عن العينة. نقطة بنقطة وسطر بسطر يتم تكوين الصورة عن العينة الأصلية ومن هنا جاء اسم الجهاز بأنه جهاز ميكروسكوب الكتروني ماسح والآن أصبحنا نعرف لماذا أطلق عليه اسم الماسح.

بالطبع لا يمكن أن يقوم جهاز SEM بعمله بدون ان يتم التحكم في حركة الشعاع الالكتروني والذي يتحكم فيه من خلال المجال المغناطيسي باستخدام فرق جهد متغير، للتحكم في تحريك شعاع الالكترونات على العينة. وتقوم ملفات توليد المجال المغناطيسي بإنتاج المجال المغناطيسي اللازم لمسح الشعاع الالكتروني بشكل دقيق ذهابا وإيابا على العينة. وإذا أراد الباحث أن يزيد قوة التكبير فانه يقوم بجعل الشعاع الالكتروني يقوم بالمسح على منطقة اصغر على العينة.

تشغيل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM

قبل ان يقوم الباحثون بالحصول على الصور من جهاز SEM ولنفترض صور عن بعوضة، فان عليهم ان يجهزوا البعوضة مسبقا لتكون جاهزة كعينة للفحص بالجهاز. لان جهاز SEM لا يشبه الميكروسكوب الضوئي، فهو يعمل في الفراغ ويعتمد على المجالات المغناطيسية فان تحضير العينة قد يكون أمرا معقدا بعض الشيء. يبدأ الباحثون بتنظيف العينة من أي غبار أو عوالق. وبعد أن تتم عملية التنظيف يتم وضع العينة على الحامل الخاص بجهاز SEM إذا كانت العينة موصلة للكهرباء. وفي حالة أن تكون العينة غير موصلة للكهرباء يتم تغطية العينة بمادة موصلة مثل الذهب أو البلاتينيوم من خلال عملية تعرف باسم الطلاء بالانتزاع sputter coating وهي تقنية تستخدم في إنتاج الأغشية الرقيقة. وهذه التقنية تطبق طبقة رقيقة على العينة تجعلها موصلة كهربائيا بالأرضي لتمنع من العينة من ان تصاب بالضرر أثناء الفحص بواسطة الشعاع الالكتروني الموجه عليها.

وحيث ان العينة سوف توضع في الجهاز وسوف تتعرض لضغط منخفض عند سحب الهواء من الجهاز ليعمل في الفراغ فان العينة تخضع لمزيد من التحضير لضمان أن تبقى العينة متماسكة في ظل هذه الظروف الحرجة. فالعينات البيولوجية على سبيل المثال تجفف قبل أن توضع في جهاز SEM. وإذا لم يتم ذلك فان الضغط المنخفض سوف يجعل الماء في العينة يتبخر بسرعة مما يتسبب في إفساد العينة وتغير ملامحها. بعض العينات الأخرى يتم تجميدها قبل الفحص، وهناك عينات يتم معالجتها كيميائيا حتى تتمكن من البقاء متماسكة في عملية التكبير.

الباحثون مثلهم مثل المصورون لديهم الكثير من أدوات التحكم في الصورة الناتجة. مثل التكبير والتبئير والتباين والوضوح هذه كلها أدوات أساسية للحصول على صور واضحة ويتم التحكم فيها من خلال مفاتيح خاصة على لوحة تحكم الجهاز. وأجهزة SEM الحديثة التي دمج فيها أجهزة الحاسوب لتمكن الباحثون من التحكم في متغيرات الصورة من خلال برامج خاصة جعل من استخدام أجهزة SEM أكثر سهولة من قبل.

وفي النهاية يجب اتخاذ بعض إجراءات الوقاية والسلامة عند تشغيل هذه الأجهزة. فعند عمل هذه الأجهزة فانه ينتج عنها صدور أشعة اكس عندما تصطدم الالكترونات بالعينة وكما نعلم فان أشعة اكس ضارة على الإنسان إلا انه لا يجب عليك القلق من التعرض لأشعة اكس هذه لان العينة تكون معزولة تماما وأشعة اكس المتولدة لا تصل للشخص المشغل للجهاز، وعادة ما يرفق تعليمات خاصة يتوجب إتباعها قبل تشغيل الجهاز وهذه التعليمات تقع ضمن سياسة الوقاية والسلامة المتبعة في المؤسسة وتختلف حسب نوع وموديل جهاز SEM.

وفي نهاية هذا المقال أتمنى أن أكون قد قدمت شرحا مبسطا لفكرة عمل جهاز SEM والذي يستخدمه كل الباحثين في مختلف التخصصات.

أرجو نشر هذا المقال لتعم الفائدة على الجميع مع العلم بان الأجر والثواب ينالك إذا تم النقل بحفظ حقوق الكاتب والمصدر.

مع خالص التحية والاحترام

دكتور حازم فلاح سكيك

مقاطع فيديو على اليوتيوب توضح فكرة عمل جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح.

 

يمكنك الحصول على المزيد من المعلومات من خلال الروابط التالية:

http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/oatley/history.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope

http://www.popularmechanics.com/technology/gadgets/4218957

http://mse.iastate.edu/microscopy/college.html

http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/SEM.html