فن الخط

كيف يمكن الكتابة في سطور سمكها أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء؟

وكان النحات مايكل أنجلو بونروتي (1475 – 1564) يقول إن منحوتاته كانت موجودة دائمًا داخل كتل الرخام، وأنه لم يزيل منها إلا الأجزاء الحجرية غير الضرورية. يمكن للمطرقة والإزميل المستخدمين لإزالة المادة، في الأيدي اليمنى، أن يصلا إلى مستوى مثير للإعجاب إلى حد ما من الدقة والبراعة، ولكن عند إزالة كميات صغيرة للغاية من المواد، هناك حاجة إلى أدوات أكثر دقة. هذه هي الطريقة التي تم بها تطوير أدوات مختلفة على مر السنين، بما في ذلك أشعة الليزر القادرة على نحت الأخاديد الدقيقة في المادة.

ولكن كما أن الإزميل غير قادر على قطع شق أضيق من سمكه، فإن ضوء الليزر يقتصر أيضًا على شق يكون سمكه مشابهًا للطول الموجي للضوء نفسه، ويتم قياسه بالميكرونات الفردية أو أجزاء من الميكرونات ( الميكرون هو جزء من مليون من المتر). عندما يكون من الضروري قطع أخاديد أضيق (على سبيل المثال، في تصميم الدوائر الإلكترونية في رقائق أشباه الموصلات)، يتم استخدام أدوات أدق مثل حزم الإلكترون، والتي يمكن استخدامها لتحديد وقطع "القنوات" الأصغر بكثير من ميكرون واحد في سماكة.

طريقة أخرى "للكتابة" بأخاديد رفيعة للغاية تعتمد على براءة اختراع كليا باراك، وهي براءة اختراع مشهورة اخترعها بنجامين فرانكلين منذ أكثر من 200 عام. عندما تريد حماية مبنى من ضربة البرق، تضع قضيبًا معدنيًا مدببًا فوق المبنى، وتثبت القضيب بالأرض، ثم عندما يضرب البرق القضيب، تتدفق الشحنة الكهربائية إلى الأرض ولا تؤذي المبنى منزل. تعمل مانعة الصواعق على مبدأ أن قضيبًا معدنيًا مدببًا يمركز المجالات الكهربائية حوله بكفاءة عالية. تم إجراء تطبيق أكثر حداثة لهذا المبدأ في مجهر المجال القريب، مما يجعل من الممكن القياس بفصل مكاني يبلغ بضعة نانومترات (النانومتر هو جزء من مليار من المتر). وباستخدام هذا الجهاز، تمكن العلماء من الاقتراب من السطح ضمن بضعة نانومترات. قاموا بتوجيه شعاع الليزر إلى المنطقة المجاورة لطرف القضيب المدبب (وهذه المرة يتم توجيه الطرف إلى بضعة نانومترات)، وبالتالي، يكون المجال الكهربائي للضوء أكثر تركيزًا وأقوى بكثير. للقيام بذلك، اقترب من السطح بطريقة خاضعة للرقابة. ومع ذلك، بسبب القوى المؤثرة بين القلم والسطح على هذه المسافات الصغيرة، فمن الصعب جدًا حمل "القلم" على مسافة يمكن التحكم فيها نانومتر أو اثنين من السطح.

ومن أجل تقريب طرف "النقاش" أو "القلم" إلى أدنى مسافة من السطح، قام البروفيسور ياحيام بريور من قسم الفيزياء الكيميائية وعميد كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، ود. قام ألكسندر ميلنر من مجموعته البحثية بتطوير طريقة لتقريب "القلم" إلى السطح وتعتمد الطريقة على تحريك "القلم" مع اهتزازه بشكل مجهري باستمرار. ويمنع الاهتزاز الالتصاق في نطاقات قصيرة، ويسمح بوضع "القلم" على بعد نانومتر واحد فقط من السطح (أي جزء من مليار من المتر)، دون التعرض لخطر الالتصاق.

وبعد تطوير القدرة على جلب القلم إلى السطح، واصل العلماء "الكتابة" على السطح باستخدام طريقتين مختلفتين: على الأسطح المصنوعة من مواد ذات نقطة انصهار منخفضة نسبيًا، قاموا بتعديل ظروف العمل بحيث يتمكن "القلم" من الوصول إلى السطح. يتم تسخينها إلى درجة حرارة يمكن التحكم بها تصل إلى مئات الدرجات المئوية، حسب ما هو مطلوب لإذابة المادة وإزالتها. عندما أرادوا النقش على مادة ذات نقطة انصهار أعلى (على سبيل المثال، الذهب)، أنتجوا كثافة أكبر من الضوء عند نقطة الالتقاء بين الضوء والمادة، واستفادوا من تأثير التضخيم بالقرب من طرف القطعة. "قلم".

وبهذه الطريقة يمكن الكتابة على السطح بخطوط سمكها أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء، بدقة كبيرة وبقوة تسمح بالنقش حتى على سطح المعادن الصلبة. وفي المرحلة التالية من أبحاثهم، سيحاول العلماء إجراء قياسات طيفية وتوصيف مناطق صغيرة للغاية، بهدف تطوير إمكانيات قياس التركيزات المنخفضة، إلى درجة القدرة على قياس وتحديد وجود جزيء واحد.

المزيد عن الموضوع: تمكن باحثو التخنيون من وضع التاناخ على رأس الدبوس