ساخت لنز نرم و الکتریکی با قابلیت تغییر فاصله کانونی با گرافن
پژوهشگران دانشگاه کوئین مری لندن با استفاده از گرافن اکسید کاهشیافته، الکترودهای شفاف و انعطافپذیری ساختهاند که میتوانند مستقیماً روی یک لنز نرم قرار بگیرند. با اعمال ولتاژ، این ساختار تغییر شکل میدهد و فاصله کانونی لنز را بدون استفاده از موتور یا چرخدنده تغییر میدهد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه کوئین مری لندن (Queen Mary University of London) با هدایت پروفسور جیمز باسفیلد (James Busfield)، موفق به توسعه نوعی الکترود شفاف از جنس گرافن اکسید کاهشیافته (Reduced Graphene Oxide یا rGO) شدهاند که میتواند در ساخت لنزهای نرم و قابلتنظیم با تحریک الکتریکی به کار رود. این دستاورد، محدودیت دیرینهای را در طراحی لنزهای قابلتنظیم الکترواستاتیکی برطرف میکند و امکان قرارگیری الکترود مستقیماً در مسیر نوری لنز را فراهم میسازد.
این پژوهش در واقع تلاشی برای حل یک مشکل ساده اما مهم در طراحی لنزهای الکتریکی است. در بسیاری از سامانههای موجود، الکترودهای انعطافپذیر مورد استفاده برای تحریک لنز شفاف نیستند. بنابراین نمیتوان آنها را مستقیماً روی بخش نوری لنز قرار داد و الکترودها ناچارند در اطراف محیط لنز نصب شوند. چنین معماریای به قطعات جانبی بیشتری نیاز دارد و در نهایت ابعاد کلی سامانه را افزایش میدهد. در فناوری جدید، الکترود شفاف گرافنی میتواند مستقیماً روی سطح نوری قرار گیرد و همین موضوع امکان ساخت یک سامانه کوچکتر و یکپارچهتر را فراهم میکند.
فناوری مورد استفاده پژوهشگران بر پایه «عملگرهای الاستومری دیالکتریک» یا DEA است. این عملگرها نوعی مبدل الکترومکانیکی نرم هستند که عملکردشان شباهت زیادی به ماهیچه مصنوعی دارد. ساختار اصلی آنها از یک غشای الاستومری دیالکتریک تشکیل شده که بین دو الکترود انعطافپذیر قرار میگیرد. هنگامی که میدان الکتریکی به این ساختار اعمال میشود، ضخامت غشا کاهش مییابد و در عوض، ابعاد آن در راستای جانبی افزایش پیدا میکند.
همین تغییر شکل کنترلشده میتواند برای تغییر شکل یک عنصر نوری و در نتیجه تنظیم ویژگیهای آن مورد استفاده قرار گیرد. از این رو، DEAها در سالهای اخیر بهعنوان گزینهای برای ساخت لنزهای قابلتنظیم، فیلترهای تطبیقی، پوستههای استتاری و سایر تجهیزات نوری با قابلیت بازپیکربندی الکتریکی مورد توجه قرار گرفتهاند.
اما شفاف نبودن الکترودها یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری بوده است. در طراحیهای متداول، الکترود غیرشفاف باید در یک حلقه جداگانه در اطراف بدنه لنز قرار گیرد تا مسیر عبور نور مسدود نشود. چنین روشی علاوه بر افزایش ابعاد دستگاه، طراحی مکانیکی آن را نیز پیچیدهتر میکند. الکترود شفاف گرافنی این محدودیت را کنار میزند، زیرا میتوان آن را مستقیماً روی محور نوری قرار داد.
پژوهشگران برای ساخت الکترود، یک غشای الاستومری اکریلیکی پیشکشیده از نوع VHB ۴۹۰۵ را با جوهری حاوی گرافن اکسید کاهشیافته پوشش دادند. این جوهر در حلال تتراهیدروفوران یا THF پراکنده شده بود و با روش اسپری روی سطح غشا اعمال شد. در این فرایند، چگالی سطحی الکترودهای rGO در محدوده ۰٫۱۰ تا ۰٫۱۷ میکروگرم بر میلیمترمربع تنظیم شد که ضخامتی در حدود ۵۰ تا ۸۰ نانومتر ایجاد میکرد.
نتایج نشان داد که افزایش مقدار گرافن اکسید کاهشیافته روی سطح، رسانایی الکترود را به شکل محسوسی افزایش میدهد، اما همزمان از میزان عبور نور نیز میکاهد. با افزایش چگالی سطحی rGO از پایینترین مقدار به بالاترین مقدار آزمایششده، مقاومت ورقهای از حدود ۶۰۰ کیلواهم بر مربع به حدود ۱۵ کیلواهم بر مربع کاهش یافت. در مقابل، عبور نور در طول موج ۵۵۰ نانومتر از حدود ۴۲ درصد به ۱۷ درصد رسید.
این نتیجه یکی از چالشهای شناختهشده در ساخت پوششهای رسانای شفاف را بار دیگر نشان میدهد: هرچه مقدار ماده رسانا افزایش پیدا کند، معمولاً رسانایی بهتر میشود، اما شفافیت کاهش مییابد. پژوهشگران برای ارزیابی همزمان این دو ویژگی از شاخص شایستگی هاک (Haacke Figure of Merit) استفاده کردند تا بتوانند تعادل میان رسانایی الکتریکی و شفافیت نوری پوشش را مشخص کنند.
برای ساخت نمونه لنز، پژوهشگران چگالی سطحی ۰٫۱۲ میکروگرم بر میلیمترمربع را انتخاب کردند. این مقدار امکان دستیابی به عبور نور حدود ۳۲ درصد را فراهم کرد و در میدان الکتریکی ۵۰ ولت بر میکرومتر، کرنش سطحی حدود ۱۰ درصد ایجاد شد. انتخاب این مقدار در واقع یک مصالحه مهندسی میان شفافیت، رسانایی و میزان تغییر شکل بود؛ زیرا افزایش بیش از حد مقدار rGO اگرچه میتواند عملکرد الکتریکی را بهبود دهد، اما شفافیت نوری را کاهش خواهد داد.
در مرحله بعد، عملگر DEA پوششدادهشده با rGO به یک لنز پلانو-محدب از جنس پلیدیمتیلسیلوکسان یا PDMS متصل شد. قطر این لنز ۱۲٫۵ میلیمتر بود. هنگامی که ولتاژ اعمال شد، ساختار بهصورت شعاعی کشیده شد و در نتیجه فاصله کانونی لنز تغییر کرد.
نمونه اولیه ساختهشده توانست نقطه فوکوس را در محدودهای حدود ۳۰ تا ۳۶ میلیمتر جابهجا کند. نکته مهم این است که برای ایجاد این تغییر فوکوس، نیازی به موتور، چرخدنده یا مجموعهای از قطعات مکانیکی متحرک وجود ندارد. اعمال ولتاژ مستقیماً موجب تغییر شکل ساختار نرم و در نتیجه تغییر ویژگی نوری لنز میشود.
به این ترتیب، الکترود شفاف گرافنی نهتنها یک عنصر رسانای ساده نیست، بلکه بخشی از معماری فعال لنز محسوب میشود. قرار گرفتن این الکترود مستقیماً روی لنز باعث شده است کل مجموعه ابعاد فشردهتری داشته باشد و یکی از محدودیتهای اصلی طراحی سامانههای فوکوس الکتریکی از میان برداشته شود.
جیاکومو ساسو (Giacomo Sasso)، نویسنده اول این پژوهش، معتقد است این فناوری میتواند در آینده در حوزههایی مانند دوربینهای دارای فوکوس خودکار، نمایشگرهای پوشیدنی، هدستهای واقعیت مجازی و واقعیت افزوده، تجهیزات تصویربرداری پزشکی کوچک و ابزارهای علمی مورد استفاده قرار گیرد. در چنین کاربردهایی، استفاده از سامانههای فوکوس مکانیکی متداول میتواند به افزایش وزن، پیچیدگی و هزینه منجر شود؛ مشکلاتی که در تجهیزات کوچک و پوشیدنی اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
الک لمورو (Alec Lamoreux)، نویسنده دوم مقاله، نیز معتقد است ترکیب پلیمرهای فعال الکتریکی با ویژگیهای الکتریکی گرافن میتواند رویکرد تازهای برای طراحی سامانههای نوری ایجاد کند. در این رویکرد، تغییر فوکوس دیگر الزاماً به موتور و چرخدنده وابسته نیست و میتوان کنترل ویژگیهای نوری را مستقیماً از طریق تحریک الکتریکی انجام داد.
به نقل از نانو ایران، با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران هنوز با یک چالش مهم روبهرو هستند: یکنواختی پوشش گرافنی. در نمونههای فعلی، تجمع ذرات و جهتگیری غیریکنواخت پولکهای rGO روی سطح موجب محدود شدن عملکرد الکترود شده است. بهبود یکنواختی و صافتر شدن پوشش میتواند هم شفافیت نوری و هم کرنش قابلدستیابی را افزایش دهد و در نهایت دامنه تغییر فاصله کانونی لنز را گستردهتر کند.
اگر این مشکل برطرف شود، ترکیب گرافن اکسید کاهشیافته با عملگرهای الاستومری میتواند مسیر تازهای برای توسعه لنزهای نرم، سبک و کمحجم باز کند؛ لنزهایی که بهجای حرکت دادن مجموعهای از قطعات مکانیکی، با یک فرمان الکتریکی شکل خود را تغییر میدهند. شاید یکی از جذابترین بخشهای این فناوری همین باشد: در آینده، برای فوکوس کردن یک لنز کوچک، دیگر لازم نباشد مجموعهای از چرخدندهها و موتورهای کوچک را داخل آن جا بدهیم. کافی است برق را متقاعد کنیم که کارش را درست انجام دهد.
