Metalenses: التكنولوجيا التي ستغير العالم

وفي السنوات الأخيرة، بدأت تظهر بدائل للعدسات الزجاجية، والتي تتمتع بإمكانات حقيقية للوصول إلى عامة الناس. تسمى هذه البدائل بـ metalenses (metalenses)، وسوف تغير العالم

هناك تقنيات تغير كل ما نعرفه عن الممكن والمستحيل في الحياة اليومية. في هذا المقال، أريد مراجعة إحدى هذه التقنيات، والتي هي حاليًا في مراحلها الأولية - ولكن لديها القدرة على تغيير حياتنا بشكل جذري. والغريب أن لا أحد يتحدث عنها تقريبًا. حسنًا، باستثناء المنتدى الاقتصادي العالمي في قائمته للتقنيات العشر الضارة لعام 2019[1]. لكن حاول أن تسأل أحد الأشخاص في الشارع عن "العدسات الفوقية" ومن المحتمل ألا يكون لديه أدنى فكرة عما تتحدث عنه.

فما هي بالضبط المعادن؟ للإجابة على السؤال، علينا أولاً أن نفهم ما هي العدسات بشكل عام، وما هي المشكلة الكبيرة فيها في الصناعة.

لقد خضعت الهواتف وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى لعملية تصغير مستمرة في العقود الأخيرة. كما تم تصغير حجم الكاميرات الرقمية، ولكن بوتيرة أبطأ. وذلك لأنه من أجل تشويه وتشويه مرور الضوء في مثل هذه الأجهزة الصغيرة، هناك حاجة إلى عدسات صغيرة منحوتة بعناية من الزجاج، وغالبًا ما يتم تكديس مكونات العدسة نفسها فوق بعضها البعض لتركيز الضوء بشكل صحيح.

بمعنى آخر، نحن نعيش في القرن الحادي والعشرين، وما زلنا نستخدم نفس التكنولوجيا لتركيز الضوء التي تم استخدامها في القرن السابع عشر (هذا هو الوقت الذي تم فيه اختراع التلسكوب، أو على الأقل تم التقدم بطلب للحصول على براءة اختراع)[2].

وفي السنوات الأخيرة، بدأت تظهر بدائل للعدسات الزجاجية، والتي تتمتع بإمكانات حقيقية للوصول إلى عامة الناس. تسمى هذه البدائل بـ metalenses (metalenses)، وسوف تغير العالم.

تعتمد العدسة الفوقية على سطح رقيق - أرق بكثير من شعرة الإنسان - والذي تم حرق سطحه بدقة نانومترية. ونتيجة لذلك، عندما يضرب الضوء السطح، تتغير خصائصه. لقد وجد الباحثون طرقًا لحرق السطح بالأنماط الصحيحة فقط، بحيث يمكن اختيار خصائص الضوء الخارج من المعادن. من الممكن أيضًا وضع عدد كبير من المعدنات، واحدة فوق الأخرى، وبحجم صغير.

هناك اكتشافان حديثان في هذا المجال يبشران بالخير فيما يتعلق بالأمراض المعدنية. وفي عام 2018 تمكن الباحثون من حل مشكلة الانحراف اللوني التي تتميز بها العدسات العادية. تصف هذه المشكلة الحالة التي يمر فيها الضوء الأبيض عبر عدسة زجاجية عادية، وينكسر وينقسم إلى عدة أطوال موجية، وبعضها ينكسر بزوايا مختلفة ويركز على مسافات مختلفة من العدسة. للتعامل مع الانحراف اللوني، يتعين على المهندسين اليوم وضع العدسات في الفضاء بعناية ودقة. ومع ذلك، في عام 2018، كان هناك نجاح في تطوير عدسة خارقة واحدة قادرة على تركيز جميع الأطوال الموجية للضوء الأبيض في نفس النقطة.[3]. كما نجح الباحثون في تصحيح انحرافات أخرى -مثل الاستجماتيزم- والتي تسبب تشويهًا وطمسًا للصورة الناتجة.

تم نشر الاختراق الثاني هذا الأسبوع بالذات (25 أغسطس 2020) في المجلة العلمية المرموقة PNAS. قام الباحثون بدمج "بلورات سائلة خيطية" في العدسة الفائقة، وبالتالي تمكنوا من التحكم في خصائصها من خلال مجال كهربائي مطبق حولها. لقد أثبتوا أن العدسة الفائقة قادرة بالفعل على العمل بشكل مشابه للعين البشرية - أو مثل التلسكوب أو الكاميرا المتقنة، التي تعتمد على عدة عدسات متباعدة وقريبة من بعضها البعض من أجل تكبير الصورة[4].

قل الآن - إذن ما هي المشكلة الكبيرة؟ يحتوي هاتفي الذكي أيضًا على خيار تكبير الصورة! لكن هذه ليست هي القضية. يحتوي الهاتف الذكي على عدسة واحدة صغيرة، وبالتالي لا يمكن إجراء "تكبير/تصغير" حقيقي (بصري)، ولكن رقمي فقط. لا يؤدي هذا التكبير الرقمي إلى إثراء تفاصيل الصورة، بل يؤدي فقط إلى تكبيرها من أجل المظهر. إذا حاولت تكبيرها بهذه الطريقة، فستجد بسرعة أن التفاصيل الصغيرة أصبحت غير واضحة. تقوم بتكبير الصورة ولكنك تفقد الدقة.

تتيح العدسات الفائقة التغلب على هذه المشكلة، حتى دون الحاجة إلى عدد من العدسات الزجاجية الكبيرة والمكلفة، والتي يجب أن تتحرك بعيدًا أو تقترب من بعضها البعض. كل ما هو مطلوب هو معدن واحد - سمكه صفر - وتيار كهربائي. وهذا كل شيء. وهذا يكفي لإنشاء عدسة ذات حجم لا يمكن تصوره والتي ينبغي (في النهاية) أن تنافس الكاميرات الأكثر تطورًا المتوفرة اليوم. وينبغي أيضًا أن تكون أرخص من العدسات العادية – على الأقل بمجرد نضوج التكنولوجيا – حيث يمكن تصنيع هذه العدسات باستخدام نفس المعدات المستخدمة حاليًا في صناعة أشباه الموصلات. في الواقع، سيتم معالجة شريحة واحدة في نفس المصنع لتحتوي على المكونات الإلكترونية والمعادن معًا.

لا شيء من هذا يعني أن التركيبات المعدنية مثالية. ولا تزال هناك تحديات على طريق تحقيق الوعد الكبير الكامن فيها. هذه التكنولوجيا جديدة جدًا لدرجة أنه لا يزال من الضروري أن نفهم بالضبط كيفية تكييف الأجهزة الموجودة معها. كما أنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها امتصاص كمية كبيرة من الضوء - ولكن عندما تتمكن من إنتاج آلاف العدسات ووضعها في نفس المكان الذي كان من المفترض أن تكون فيه عدسة تقليدية واحدة، فمن يهتم؟ سوف يمتصان معًا نفس كمية الضوء التي تمتصها العدسة الأصلية. وعندما يمكن وضعها في أي مكان آخر - على السطح الخلفي والأمامي بالكامل للهاتف الذكي، على سبيل المثال - فإنها ستكون أكثر فعالية بكثير من العدسة المفردة الرديئة التي يحتوي عليها هاتفك الذكي حاليًا. سيستغرق التقدم في هذه الأنواع من التطبيقات عدة سنوات أخرى، لكننا بالفعل في طريقنا إلى هناك.

كل هذا جيد وجيد، ولكن كيف ستغير المعادن حياتك؟ بطرق لا نهاية لها. تخيل هاتفًا ذكيًا مغطى بالكامل بأشعة معدنية قادرة على العمل كمجهر متطور، والتعرف على البكتيريا (أو حتى الفيروسات) في قطرة ماء واحدة. كما يمكن أن يتحول بضغطة زر إلى تلسكوب ويصور كل شيء من حولك بدقة عالية وبزاوية 360 درجة. فكر في الطائرات بدون طيار المغطاة بهذه العدسات الفائقة، والتي يمكنها بسهولة تصوير الأرض بدقة عالية من ارتفاع مئات - أو آلاف - الأمتار، أو فحص قطرات الماء في السحب لفهم تركيبها الكيميائي.

في الواقع، لماذا تذهب إلى هذا الحد؟ فكر فقط في النظارات التي يمكن أن تتحول بضغطة زر واحدة إلى تلسكوب أو مجهر أو نظارات شمسية أو نظارات للرؤية الليلية - وتظل تبدو بنفس المظهر والملمس تمامًا من الخارج. سأشتري هذه.

فكر في عالم حيث مثل هذه الكاميرات موجودة في كل مكان - على كل جدار، وعلى كل سطح - ونعمل معًا على تزويد جوجل، أو فيسبوك، أو الحكومة الصينية، بفهم لكل ما يحدث في العالم. لم تعد هناك كاميرات بارزة ومرهقة، مثبتة على جدران المباني في الشوارع، بل كاميرات غير مرئية تجمع المعلومات طوال الوقت.

حتى أجهزة الواقع الافتراضي (والمعزز) ستكون قادرة على تحقيق قفزة للأمام بفضل القياسات المعدنية. يمكننا أن نقول وداعًا للصندوق الأسود الضخم الذي يجلس فوق رؤوسنا، ونستبدله بنظارات مزودة بأجهزة عرض صغيرة وذكية. وربما حتى -من يدري- أيضًا في العدسات اللاصقة التي تعمل بطريقة مماثلة.

إذن - هل أقنعتك حتى الآن أنك بحاجة إلى معرفة المزيد عن المعادن؟

[1] http://www3.weforum.org/docs/WEF_Top_10_Emerging_Technologies_2019_Report.pdf

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_telescope

[3] https://www.nature.com/articles/s41566-018-0130-7

[4] https://www.pnas.org/content/117/34/20390

لمدونة الدكتور روي سيزانا دليل المستقبل
* الدكتور روي سيزانا باحث ومحاضر مستقبلي، مؤلف كتابي "دليل المستقبل" و"حكام المستقبل"

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم: