انسان‌های آپدیت شده

---

شاید این‌طور بتوان گفت سلامت فردی، كه تا چند دهه پیش وابسته به علوم تجربی بود، در یك مرحله گذار تكنولوژیك به سر می‌برد و فناوری‌ اطلاعات و بخصوص علم رایانه، تاثیر بزرگی بر علوم پزشكی گذاشته است. در زیر فهرستی از همین دستاوردهای تكنولوژیك را كه بزودی در خدمت علم پزشكی روزمره درخواهند آمد، به‌طور گذرا بررسی خواهیم كرد

---

تراشه‌های RFID

روشی ساده و آسان برای نفوذ به بدن. ایمپلنت یك تراشه RFID است؛ تراشه RFID به‌طور كلی یك آنتن خنثی (Passive) است كه تنها زمانی فعال می‌شود كه كنار یك گیرنده قرار بگیرد و یك كد از پیش تعیین شده را منتقل می‌كند. این فناوری در حال حاضر بیشتر نقش یك كلید الكترونیك را ایفا می‌كند. برای مثال می‌توان رایانه یا تلفن را طوری تنظیم كرد كه هنگام نزدیك شدن یا برداشتن آن، روشن شوند. می‌شود با نصب یك قفل مجهز به این فناوری، دیگر نیازی به حمل كلید نداشته باشید و با نزدیك شدن به در، به‌صورت خودكار در برایتان باز شود. این تراشه كاملا امن است و حتی در وب‌سایت‌هایی مانند یوتیوب نیز چگونگی ایمپلنت آن به بدن توضیح داده شده است. البته باید قبل از انجام هر گونه عملیاتی، فواید و مضرات این فناوری را خوب شناخت.

سنسورهای پزشكی

وقتی انسان احساس سلامت نكند، معمولا به پزشك مراجعه می‌كند تا مشكل خود را حل كند. گاهی بیمار بسیار دیر متوجه بیماری‌اش می‌شود كه مراحل درمان آن دشوار و بعضا غیرممكن به نظر می‌رسد. سیستم‌های سنسوری ایمپلنت شده در بدن می‌تواند سرطان یا حتی ضعیف‌ترین بیماری‌ها را تشخیص دهد و از این طریق فرد بموقع به درمان اقدام كند. یكی دو سال پیش، یكی از استادان دانشگاه MIT ، ایمپلنتی 2‌/‌0 اینچی طراحی كرد كه با نانوذرات درهم آمیخته و به سلول‌های سرطانی واكنش نشان می‌داد. در آینده نزدیك می‌توان یك آرایه از ایمپلنت‌های تشخیص‌دهنده همه‌نوع ویروس و مرض را در بدن كار گذاشت و پیغام‌هایی لحظه‌ای روی تلفن همراه خود دریافت كرد.

 

برداشت‌كننده‌های انرژی

هر كسی كه فیلم ماتریكس را دیده باشد، حتما مطلع است كه انسان‌ها قادرند انرژی الكتریسیته زیادی تولید كنند. مساله آنجاست كه چطور بتوان راه‌حل درستی پیدا كرد كه این انرژی را برداشت كرد. یك راه‌حل برای برداشت این انرژی، استفاده از فیلم‌های فیزوالكتریك پلاستیكی است كه می‌تواند زیر پوست ایمپلنت شود. این فیلم فیزوپلاستیكی می‌تواند 80 درصد انرژی مكانیكی را به الكتریسیته تبدیل كند و در صورت برخورد با یك جسم هادی، احتمالا می‌توان گوشی تلفن را تنها با فشار دادن روی دست شارژ كرد.

آرایه‌های LED

موارد استفاده از این چراغ‌های كوچك، بسرعت در حال گسترش در همه جنبه‌های زندگی است. یكی از این موارد این است كه می‌توان آنها را زیر پوست كار گذاشت و كاربردهای مختلفی از آن به دست آورد كه بعضا غیرمنطقی و عجیب می‌نماید: پخش فیلم روی پیشانی یا استفاده از كف دست به‌جای چراغ قوه و... و از تركیب این فناوری با برداشت‌كننده‌های انرژی می‌توان منبع انرژی آنان را تا ابد تهیه كرد.

 

ارتباطات به شیوه واقعیت افزون شده

در نظر بگیرید چه میزان زمان، تلاش و پول باید صرف شود تا تلویزیون‌های بزرگ‌تر و بهتر سه‌بعدی تولید شود تا چشم‌های ما براحتی و بدون كمترین دردسری تصاویر با كیفیت را دریافت كنند؟ فناوری به‌گونه‌ای پیش می‌رود كه قراردادن نمایشگرها در چشم اجتناب‌ناپذیر است؛ خواه هدف آن باشد كه واقعیت دنیای اطراف ما را جذاب تر جلوه دهد یا واقعیت مجازی ایجاد كند. لنزهای ارتباطی كه در تصویر مشخص است، تنها یك نمونه اولیه است؛ اما نسل‌های بعدی این لنزها شامل آنتن‌های وایرلس و یك آرایه كامل از LEDهای نیمه شفاف خواهد بود كه هنگام خاموش بودن، كاملا شفاف است. وقتی این لامپ‌ها روشن می‌شود، می‌تواند در تصویری كه چشم در حال حاضر روی آن Focus كرده است، ظاهر شود و اطلاعات مختلفی ارائه كند. منبع برق این لنزها نیز بی‌سیم است. شاید تنها نقطه ضعف این نمونه‌های اولیه این باشد كه یك وسیله جداگانه روی چشم است و سنگینی آنها احساس می‌شود.

 

كنترل از راه دور مغز

بزودی این امكان فراهم می‌آید كه مرور وب، تغییر كانال‌های تلویزیون و بسیاری از امور دیگر بدون انجام هیچ حركتی میسر باشد. اینتل در حال حاضر روی فناوری‌ای به‌نام ایمپلنت مغز كار می‌كند كه می‌تواند امواج مغزی را بخواند و افكار را به‌صورت خودكار به مجموعه‌ای از فرامین ترجمه كند كه به‌طور بی‌سیم به وسایل برقی ارسال می‌شود.

 

اندام‌های بایونیك

در حال حاضر فناوری اندام‌های مصنوعی به جایی رسیده است كه می‌تواند آنها را به اعصاب بدن پیوند بزند. این نوآوری برای كسانی كه جایگزینی اندام برایشان امری حیاتی محسوب می‌شود، امكانی را فراهم می‌كند تا كنترل اندام‌ها از طریق مغز میسر باشد. معلولان و افرادی كه بر اثر حادثه یكی از اندام‌های حركتی بدن خود را از دست داده‌اند مخاطبان اصلی این فناوری هستند. شاید در آینده‌ای نزدیك دست‌های مصنوعی از دست‌های طبیعی قدرت بیشتری داشته باشند و حتی آدم‌های عادی نیز وسوسه شوند آخرین نگارش دست‌های مصنوعی را به جای دست طبیعی خود داشته باشند.

چشمان مصنوعی

چشمان ما، با وجود همه ویژگی‌های خیره‌كننده‌ای كه دارند، كمی اولیه به‌نظر می‌رسند! چشم‌ها قادرند تنها 3 رنگ مختلف را در یك طیف ببینند و برای این كار هم به نور خیلی زیادی نیاز است. این چشم‌ها را با چشم‌های یك میگوی آخوندك مقایسه كنیم كه می‌تواند 12 رنگ مختلف را از مادون قرمز تا ماورای بنفش ببیند و همزمان تحلیل عمقی را هم انجام دهد. این اتفاق با جایگزینی چشم‌ها با دوربین‌ها رخ می‌دهد و می‌توانیم تصمیم بگیریم كه كدام طول موج‌ها را می‌خواهیم ببینیم و توانایی دید در شبمان را فعال كنیم یا غیرفعال. این پروژه در دانشگاه بوستون و با عنوان ایمپلنت شبكیه چشم در حال توسعه است.

انواع روش‌های کدگذاری (3)

---

 در سلسله مقالات روش‌های کدگذاری، تا به امروز در مورد کد کردن داده‌های دیجیتال به سیگنال دیجیتال صحبت کردیم. همان طور که گفتیم، داده‌ها لزوما دیجیتال نیستند و می‌توانند آنالوگ باشند. پس باید روش‌هایی نیز برای کدکردن داده‌های آنالوگ به سیگنال دیجیتال وجود داشته باشد.

---

ساده ترین مثال برای شروع کدگذاری داده های آنالوگ به سیگنال دیجیتال، صوت است. چطور صدای خود راروی کامپیوتر ذخیره می‌کنید و در اینترنت به اشتراک می‌گذارید؟

خروجی میکروفن، داده آنالوگ است که در کامپیوتر به صفر و یک تغییر می‌کند. کامپیوتر با روش‌هایی داده های انالوگ را طوری به صفر و یک تبدیل می‌کند که بتواند از روی آن دوباره صدا را بازسازی کند.

ابزاری که داده های انالوگ را به دیجیتال تبدیل می‌کند کُدِک نام دارد. این وسیله با نام های دیگری چون رقمی ساز، مبدل انالوگ به دیجیتال که به ترتیب ترجمه عبارت های Digitizer و Analog to Digital Convertor هستند، نیز شناخته می‌شود.

هدف اصلی این ابزار تبدیل کردن داده انالوگ به دنباله ای از بیت های صفر و یک است به گونه ای که اطلاعات اولیه را بتوان از روی آن بازسازی کرد و انها را به صورت کد های NRZ یا هر کد دیگری نمایش و انتقال داد.

 

مدولاسیون دامنه (Pulse Amplitude Modulation)

اولین مرحله از مدولاسیون داده های آنالوگ به دیجیتال PAM نام دارد. در این تکنیک یاد می‌گیریم چطور از داده های آنالوگ نمونه برداری کنیم. نمونه برداری در اینجا بدین معناست که که دامنه سیگنال را در فواصل زمانی مشخص اندازه می‌گیریم. هر چه اندازه این فاصله زمانی کمتر باشد، نمونه بر داری دقیق تر است.

روش PAM به تنهایی روشی برای انتقال و کد گذاری داده های آنالوگ نیست. زیرا در این روش سیگنال آنالوگ به سیگنال نمونه برداری تبدیل می‌شود و همچنان این سیگنال را نیز نمی توانیم در رسانه ی انتقال دیجیتال عبور دهیم. زیرا داده ها هنوز آنالوگ هستند.

تکنیک PAM در واقع مقدمه ای برای روش مدولاسیون کد پالس (Pulse Code Modulation) یا به اختصار PCM است که در ادامه به توضیح ان می پردازیم.

مدولاسیون کد پالس (Pulse Code Modulation)

سیگنال خروجی که از روش PAM به دست آوردیم را به عنوان سیگنال ورودی برای این روش به کار می‌بریم. اولین قدم کوانتیزه کردن پالس های PAM است.

گفتیم در PAM در فاصله های زمانی مشخص از سیگنال آنالوگ نمونه بر داری می‌کنیم. نمونه های گرفته شده ممکن است دارای مقادیر غیر صحیح باشند. برای انتقال داده ها ابتدا مجبوریم داده هایی که مقدار آنها ناصحیح است را کوانتیزه کرده و به مقادیر صحیح تبدیل کنیم.

 

پس از کوانتیزه کردن نمونه ها، کار ساده می‌شود. می توانید حدس بزنید؟

تنها کافیست اندازه های کوانتیزه شده را به مبنای دو تبدیل کنیم. با این کار رشته ای از صفر و یک ها تولید خواهد شد و این صفر و یک به راحتی در رسانه ی انتقال دیجیتال منتشر می شوند. در این تکنیک گیرنده نیز از روش کار مطلع است و از روی مقادیر خوانده شده بر اساس فاصله زمانی نمونه برداری شده، سیگنال مورد نظر را بازسازی می کند.

 

با توجه به مطالب گفته شده، واضح است که هر چه میزان نرخ نمونه برداری بیشتر باشد (البته بستگی به نوع سیگنال دارد) و بازه های لازم برای کوانتیزه کردن اعداد PAM کوچک تر باشد، سیگنال بازسازی شده در سمت گیرنده دقیق تر خواهد بود و به این ترتیب کیفیت صدای انتقال یافته از فرستنده به گیرنده افت کمتری خواهد داشت.

 

 

نرخ نمونه برداری

میزان نرخ نمونه برداری در این روش حرف اساسی را می‌زند. اگر بازه نمونه برداری درست انتخاب نشود، سیگنال آنالوگ شکل خود را از دست می دهد و در سمت گیرنده نمی تواند بازسازی شود.

تکنیک های نمونه برداری متفاوتی وجود دارند که سه روش ایده آل، طبیعی و سر تخت را می توان نام برد. نمونه برداری مانند عمل سوئیچ رفتار می کند که به طور متناوب با پریود زمانی مشخص باز و بسته می شود. معکوس فاصله نمونه برداری، فرکانس نمونه برداری خوانده می شود. 

بر اساس قضیه نایکوئیست (Nyquist Theorem)، نرخ نمونه برداری باید حد اقل دو برابر بالاترین مولفه فرکانسی (دو برابر پهنای باند) سیگنال آنالوگ باشد. عددی که این قضیه بیان می کند حداقل عددی است که گیرنده توسط آن می تواند سیگنال فرستاده شده را بازسازی کند. 

آشنایی با موتور موشک ها

---

موتور(پیشران) یکی از بخشهای عمده موشک است که نسبت به سایر قسمت ها، هزینه و دقت زیادی صرف تکمیل آن شده است. کار این قسمت ایجاد نیروی محرکه لازم برای طی مسافت دلخواه توسط موشک است.

---

در این قسمت ما به تشریح کلی پیشران موشک ها خواهیم پرداخت اما قبل از ورود به بحث پیشران یا موتور اطلاعاتی به شرح زیر داده می شود:

 

آشنایی با عوامل موثر در موتور موشک

 اتمسفر: توده گازهایی که محیط کره زمین را احاطه کرده اند هوا یا اتمسفر گفته می شود. هوا ترکیبی از گازهای مختلف به مقدار 75 درصد نیتروژن و مقادیر کمی از گازهای دیگر است.

وزن قسمتهای بالای هوا بخشهای پایین تر را تحت فشار قرار می دهند لذا مولکول ها و ذرات قسمت پایین خیلی به هم نزدیک هستند. وقتی مولکولهای جسمی در چنین شرایطی قرار بگیرند، می گوییم هوا فشرده شده و دانسیته و یا چگالی آن افزایش یافته است. بر این اساس هوا در قسمت پایین و نزدیک سطح زمین فشرده شده و تحت فشار قسمت های بالاست. به عبارت دیگر، هرقدر از سطح زمین به طرف بالا برویم از مقدار فشار کاسته می شود، (مولکول ها از هم فاصله دارند). زیرا در قسمت های بالا برای تحت فشار قرار دادن هوا فشار کمتری موجود است.

وزن هوا یا اتمسفر باعث می شود سطوح اشیا تحت فشار قرار بگیرند. فشار عبارتست از مقدار نیروی وارد شده بر واحد سطح که معمولا پوند بر اینچ مربع می باشد و به صورت PSI نشان داده می شود. مقدار فشار در سطح دریا 14.7 پوند بر اینچ مربع می باشد و هر قدر تراکم هوا کم شود مقدار آن کمتر می شود. تعداد زیادی از موتورهای کوچک برای تولید نیرو اکسیژن مصرف می کنند، این اکسیژن را ممکن است مستقیما از اتمسفری که در آن پرواز کرده اند بگیرند و یا از اکسیژن مایع (تحت فشار) که با خود حمل می کنند و یا از اکسیژن مخلوط با مواد سوختنی (سوخت جامد) دریافت کنند. بر این اساس وقتی موشک در ارتفاع خیلی زیاد در بالای جو و یا قشر خیلی نازک جو پرواز می نماید باید اکسیژن مورد نیاز را به صورت مایع و یا جامد با خود حمل کنند.

 احتراق: اکسیژن موجود در هوا در یک سری از واکنش های شیمیایی و تغییرات مربوطه به طور فعال شرکت می نمایند که به این عمل احتراق یا سوزش می گویند.

حاصل پاره ای از این سوزش ها و فعل و انفعالات در مدت کم تولید حرارت می باشد؛ بر این اساس، سوزش یا احتراق عبارتست از ترکیب اکسیژن حاصله از مواد که با سوخت می باشد.

 سیستم مولد نیروی مکانیکی: نیروی حاصله از احتراق گاز با فشار دادن پیستون در داخل سیلندر یا به حرکت درآوردن توربین به نیروی مکانیکی تبدیل می شود. سوزش هوا با مواد سوختنی درون سیلندر بسته ای انجام و گازهای خاصله از سوخت و انبساط آنها باعث می شود سیلندر به طرف پایین حرکت نماید و میلنگ را به حرکت درآورد. از چرخش میلنگ می توان برای انجام کار مفید استفاده نمود. در سیستم توربین گازهای منبسط به طرف چرخ توربین هدایت شده به لبه پره های داخل توربین برخورد نموده و باعث می شود چرخ و محور مربوط حرکت نمایند. نیروی حاصله از محور چرخ ها برای مصرف توان مورد نیاز به کار گرفته می شود.

محرکه های سیستم جت: نیروی محرکه جت کاربردی عملی از قانون سوم حرکت نیوتن می باشد که اظهار می دارد: «برای هر نیروی فعال برروی جرم عکس العملی مخالف و برابر وجود دارد.»، برای نیروی محرکه هواپیما «جرم» یک جریان جوی است و زمانی که از میان پیشرانه عبور می نماید سبب می گردد شتاب یا سرعت افزایش یابد.

نیروی لازم بری رسیدن به این شتاب در مسیر مخالف عمل، بر روی وسیله ای که شتاب را بوجود می آورد دارای اثری یکسان است.

یک پیشرانه ی جت در مقایسه با ترکیب موتور ملخ دار از نیروی برابر برای ایجاد کشش استفاده می نماید، با در نظر گرفتن این مطلب که پروان? موتور به نسبت وزن زیاد هوا شتابی پائین فراهم می آورد اما شتابی بالا به نسبت وزن کم هوا تولید می نماید.

در واقع این همان اصل عکس العمل است که در تمامی شکلهای حرکت رخ می دهد و بطور قابل استفاده ای در بسیاری از روشها بکار گرفته شده است.

در موتورهای جت خروج سریع هوا از قسمت نازل موتورهای جت باعث می شود که موتور به طرف جلو حرکت نماید؛ نیروی وارده به سطوح مختلف یکسان است و به علت اینکه همه نیروهای وارده برابر و در جهت عکس هم است؛ لذا موشک ثابت مانده و حرکت نمی کند. گازهای موجود در داخل سیلندر بسته نیز همان مقدار فشار را به بیرون اعمال می نمایند و باز به علت اینکه فشارهای ایجاد شده نسبت به هم برابر است لذا سیلندرها به طور ثابت می ایستد، زیرا نیروی حاصله در همه طرف یکسان است و نیروهای برابر و مخالف به جسم، باعث حرکت نمی شود.

• تراست عبارتست از نیرویی که باعث حرکت چیزی شود، ولی در سیستم های موتور یا جت مخصوصا به نیروی حاصله از گازهای در حال احتراق اطلاق می شود.

 

وضعیت تابش انرژی خورشیدی در ایران

---

ایران در مجموع کشوری است بسیار آفتابی و از نظر مقدار دریافت انرژی خورشیدی در شمار بهترین کشورها محسوب می شود.

 انرژی فراوان و لایزال خورشید، بدون نیاز به شبکه های انتقال و توزیع عظیم و پرخرج، در سراسر کشور گسترده شده است. معماری سنتی ایران نشان دهنده توجه خاص ایرانیان در استفاده صحیح و موثر از خورشید در زمانهای قدیم می باشد. متاسفانه در حال حاضر و با وجود علوم و تکنولوژی جدید در کشور، استفاده از انرژی خورشید بسیار ناچیز است. چنین تصور می شود که وجود منابع عظیم نفت و گاز و پایین بودن سطح علمی و فنی کشور باعث عدم پیشرفت در استفاده از انرژی خورشیدی شده است ولی بایستی توجه شود که :

1. ارزش واقعی منابع فسیلی خیلی بیشتر از آنست که از نفت برای گرم کردن آب و یا گرمایش ساختمانها و اموری از قبیل آنها استفاده شود.

2. منابع نفت و گاز دیر یا زود این منابع تخلیه خواهند شد.

3. در مواقع بحرانی مانند زمان جنگ که اختلالاتی در استخراج و تولید ایجاد می شود و یا در زمستان که بعلت بسته بودن راه ها، امر توزیع مختل می گردد، مصرف کنندگان با کمبود شدید سوخت روبرو خواهند شد.

از طرفی می توان به صراحت اعلام کرد که سطح کنونی علمی و صنعتی کشورمان برای ایجاد و گسترش تکنیک خورشیدی به حد کافی آمادگی دارد.

بنابراین اگر طرح های خورشیدی معرفی شوند و علوم و فنون مربوطه ترویج یابند، صنایع خورشیدی کشور، می تواند به عنوان یک صنعت خود کفا وارد عمل گردد.

مهمترین نکته اینست که پژوهشگران و مخترعین و صنعتگران ایرانی باید طرح ها و دستگاه هایی را معرفی کنند که با شرایط جوی و علمی و فنی ایران مطابقت داشته و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند مخصوصا اینکه پس از افزایش قیمت نفت در سال 1973 کشورهای پیشرفته به اجبار شروع به پیشرفت در این زمینه کرده و تا کنون پیشرفتهای جدی نیز صورت داده اند.

حال ببینیم کشورمان در طول سال چقدر انرژی خورشیدی دریافت می کند:

همانطور که می دانیم ایران کشوری 4 فصل است در نتیجه میزان تابش در فصول مختلف آن متفاوت است در نتیجه میزان روز/ساعت  شهرهایی از 6 منطقه آب و هوایی معتدل و مرطوب، خیلی سرد،معتدل و خشک، گرم، گرم و مرطوب و سرد را به طور نمونه در زیر می آوریم:

معتدل و مرطوب:

بابلسر:507

رامسر:391

رشت:400

خیلی سرد:

تبریز:700

همدان:598

سقز:558

معتدل و خشک:

بم:757

 اراک:705

یزد:723

گرم:

ایرانشهر:802

بوشهر: 807

گرم و مرطوب:

چابهار:870

بندر عباس:795

سرد:

تهران: 659  

سمنان:669

مشهد:640

اعداد بالا پتانسیل بالای انرژی خورشیدی در کشور را نشان می دهد در نتیجه لازمست مصرف انرژی بخشهای مختلف در شهرها و روستاهای کشور از قبیل مصارف خانگی، تجاری، صنعت و حمل و نقل مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد و آمارهای دقیقی بر اساس بافت اجتماعی و اقتصادی و سیاسی و اهداف جامعه و توسعه آینده کشور تهیه گردد. البته دانشگاه ها نیز می توانند در این مورد کمک های ارزنده ای داشته باشند. امید است در برنامه ریزی های آتی تامین انرژی های لازم از طریق منبع بی پایان خورشید در دستور کار قرار گیرد.

لزوم گسترش انرژی های نو در کشور

---

امروزه انرژی های نو به رغم ناشناخته ماندن، به سرعت درحال گسترش و نفوذ است و غفلت از آن، غیرقابل جبران خواهد بود، انرژی خورشیدی، بادی، آبی، بیوماس، بیوگاز وانرژی زمین گرمایی از عمده ترین منابع انرژی های پاك می باشند. وقوع سه عامل در سال 1995 میلادی، سبب ایجاد نقطه عطفی برای انرژی های تجدید پذیر، به خصوص انرژی باد شده است.

1: تغییرات آب وهوایی بر اثر انباشت گازهای گلخانه ای در جو؛

2:  افزایش تقاضای مصرف انرژی برق در سراسر جهان؛

3: گشوده شدن چشم انداز نوید بخشی در مورد انرژی های تجدید پذیر بود كه با صراحت از سوی كارشناسان اعلام شد.

باید درنظر گرفت كه درواقع، در ازاء هر كیلووات ساعت برق تولیدی از انرژی های تجدید پذیر به جای زغال سنگ از انتشار حدود یك كیلوگرم CO2 جلوگیری خواهد شد. بنابراین به عنوان نمونه، برای هر یك درصد انرژی متداول كه توسط انرژی باد جانشین شود، حدود 13 درصد انتشار گاز CO2 كاهش می یابد. همچنین، كاهش سولفور و اكسید نیترات ( عوامل باران اسیدی) یكی دیگر از منابع محیط زیستی انرژی باد است.

در ایران، وجود زمینه مناسب اقلیمی و تابش آفتاب در بیشتر مناطق و در اكثر فصول سال، همچنین وجود پستی وبلندی ها در مسیر نهرهای آب، داشتن مناطق واجد پتانسیل بالای باد و قابلیت های تولید انرژی زمین گرمایی، زمینه لازم و مناسبی را برای استفاده و گسترش انرژی های نو و پاك فراهم آورده است. در این راستا، با توجه به افزایش توان مهندسی كشور در ساخت نیروگاه های برق آبی، در سال های اخیر، امیداست استفاده از پتانسیل های برق آبی به یك اولویت در ساخت نیروگاه های جدید تبدیل شود در سال 1381، ظرفیت نیروگاه های آبی كشور به 10 درصد كل ظرفیت نصب شده، تولید برق كشور رسید.

در ضمن استفاده از انرژی های بادی و زمین گرمایی و نیز استفاده حرارتی از انرژی خورشیدی (آبگرمكن های خورشیدی) نزدیك به اقتصادی شدن است. اگر چه، نیروگاه های حرارتی خورشیدی و فتوولتائیك تا افق دو دهه آینده، اقتصادی نخواهد بود، لیكن توسعه تحقیقات و كسب فن آوری های ساخت آنها، با توجه به پتانسیل عظیم انرژی خورشیدی در ایران از اهمیت بالایی برخوردار است.

با این وجود، ایران در راه بكارگیری انرژی های نو با موانع عمده واساسی مواجه است. یكی از این موانع، وجود نفت ارزان و منابع غنی هیدروكربنی در كشور است. نبود شناخت از انرژی های نو و مجهول ماندن مزایای آن توسط مردم ومسئولان از دیگر موانع دستیابی به انرژی های نو، نبود توجیه اقتصادی، علی الخصوص در این برهه زمانی است.

انرژی های پایان پذیر و آلاینده محیط زیست نفت، گاز طبیعی، زغال سنگ و انرژی هسته ا ی، كه در حال حاضر، عمده منابع تأمین كننده انرژی در جهان هستند، همه دارای آلاینده های زیست محیطی و جبران ناپذیر در زمین و فضا، از قبیل افزایش CO2، افزایش دمای زمین، ذوب شدن یخ های قطب ها، از بین بردن لایه ازن و... هستند كه حركت دانش بشری برای تأمین انرژی جهان در آینده باید به سوی تأمین انرژی جهان از انرژی های پاك و جانشینی آن با انرژی های آلاینده باشد.

انرژی های پاك

انرژی برق آبی

در سال 2001، مصرف جهانی انرژی برق آبی به رقم 2627 تراوات ساعت رسید. در این سال، آمریكای شمالی 8/21 درصد، اروپا 9/23 درصد، كشورهای آسیا و اقیانوسیه 7/21 درصد، آمریكای جنوبی و مركزی 20 درصد، كشورهای شوروی سابق 7/5 درصد، آفریقا 1/3 درصد و خاورمیانه 3/0 درصد، مصرف انرژی برق آبی جهان را به خود اختصاص داده اند. در میان كشورهای جهان، بیشترین سهم مصرف، به كانادا، برزیل، چین و آمریكا، به ترتیب با 6/12، 3/10، 8/9 و 1/8 درصد ازمصرف جهانی تعلق داشت.

انرژی خورشیدی

خورشید منبع عظیم انرژی بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. در حدود 6000 میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه 4/2 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود 333هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا 5میلیارد سال آینده به حساب آورد.

خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن (88/8 درصد) هلیوم 3 درصد) و63 عنصر دیگر که مهم‌ترین آنها اکسیژن ، کربن ، نئون و نیتروژن است تشکیل شده‌است.

میزان دما در مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به 5600 درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.

زمین در فاصله 150میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می‌باشد. حتی سوختهای فسیلی ذخیره شده در زمین، انرژیهای باد ، آبشار ، امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید می‌باشد.

انرژی خورشید به طور مستقیم یا غیر مستقیم می‌تواند دیگر اشکال انرژی تبدیل شود ، همانند گرما و الکتریسیته . موانع اصلی استفاده از انرژی خورشیدی شامل متغیر و متناوب بودن میزان انرژی و توزیع بسیار وسیع آن است.

انرژی خورشید برای حرارت آب ، استفاده دینامیکی ، حرارت فضایی ساختمانها ، خشک کردن تولیدات کشاورزی و تولید انرژی الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرد .

در سال 1830 ستاره شناس انگلیسی به نام جان هرشل John Herschel یک جعبه جمع آوری خورشیدی را برای پختن غذا در طول یک سفر در افریقا استفاده کرد .

کاربردهای الکتریکی فتوو لتایک‌ها را آزمایش می‌کنند یک فرایند که توسط آن انرژی نور خورشید به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌شود . الکتریسیته می‌تواند به طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود و ابزارهای فتوولتایک استفاده کند یا به طور غیر مستقیم از ژنراتورهای بخار ذخایر حرارتی خورشیدی را برای گرما بخشیدن به یک سیال کاربردی مورد استفاده قرار می‌دهند .

بررسی امكان استفاده از انرژی خورشیدی از دیدگاه اقتصادی

هر چند هزینه استفاده از انرژی خورشیدی بسیار بالاست، ولی امروزه در سیاست گذاری ها فقط هزینه سیستم های خورشیدی در نظر گرفته نمی شود، بلكه فواید حاصل از بكارگیری آنها، مانند كاهش آلودگی محیط زیست نیز مدنظر قرار می گیرد، با وجود تمام مسائلی كه مطرح می شود، می توان مناطقی از كشور را یافت كه استفاده از انرژی خورشیدی در آنها توجیه اقتصادی دارد. به عنوان نمونه، استفاده ازسلول های خورشیدی در مناطق دور دست رامی توان در عرض چند سال به قیمت روز رساند. با توجه به فناوری های موجود و وسعت استفاده از انرژی خورشیدی در دنیا، به نظر می آید در بخش هایی مانند گرمایش ساختمان ها، تولید آب گرم، طبخ غذا، خشك كن ها وآب شیرین كن ها، این انرژی می تواند با انرژی های رایج رقابت كند. تحقیقات انجام شده نشان می دهد كه درحال حاضر، ساخت نیروگاه های مستقل خورشیدی به صرفه نیست بلكه نیروگاه های چرخه تركیبی، همچون خورشیدی- گازی یا خورشیدی- بخاری بسیار اقتصادی خواهند بود.

یكی از موانع مهم در استفاده از انرژی های خورشیدی، سرمایه بر بردن صنایع خورشیدی است كه باید راهكارهای اساسی آن اندیشیده شوند. انواع مختلف انرژی های تجدیدپذیر بر اثر وجود آفتاب تولید شده اند. سلول های فتوولتائیكی كه تولید برق می كنند، سیستم های سهموی و برج های متمركز كننده خورشیدی، انرژی باد وانرژی زمین گرمایی همگی انرژی خود را از خورشید می گیرند، هم اكنون در كشورهای اروپایی به شدت روی انرژی خورشیدی كار می شود و استفاده از این انرژی، حرف اول زندگی بشر را در آینده خواهد زد.

انرژی باد

در چند سال گذشته، میانگین رشد سالانه انرژی باد در دنیا حدود 30 درصد گزارش شده است كه بیشترین نرخ رشد را درمیان سایر منابع انرژی در دنیا برخوردار است. كل ظرفیت برق بادی در جهان در سال 2001 به 24000 مگا وات رسید. اروپا در حال حاضر؛ بیش از 70 درصد از برق بادی جهان را تولید می كند و حدود دو سوم از ظرفیت های اضافه شده تولید در سال 2001، به كشورهای اروپایی اختصاص دارد. در حال حاضر، مزرعه های بادی در آمریكا حدود 10 میلیارد كیلو وات ساعت در سال برق تولید می كنند كه از نظر ملاحظات زیست محیطی و مبارزه با تولید گازهای گلخانه ای، این میزان انرژی باد می تواند سالانه از انتشار 5/7 میلیون تن دی اكسید كربن جلوگیری كند.

استفاده از انرژی برق در ایران در پروژه «تعیین پتانسیل باد درایران»، 26 منطقه كشور شامل 45 سایت مورد مطالعه قرار گرفت كه براساس نتایج این پروژه، ایران كشوری با باد متوسط است، ولی برخی از مناطق آن، دارای باد مناسب و مداومی برای تولید برق می باشند. توان بالقوه انرژی باد در سایت های مطالعه شده حدود 6500 مگا وات بوده و اكثر نقاط دارای پتانسیل، در مناطق شرقی كشور واقع شده اند.

در میان انواع انرژی های تجدید پذیر، انرژی باد هزینه سرمایه گذاری اولیه كمتری دارد. با بهبود فناوری، افزایش توربین ها و رفع محدودیت ها، كاهش چشمگیری در این هزینه متصور است. در حال حاضر، برق تولیدی از سوخت های فسیلی، ارزان تر از برق تولیدی از توربین های بادی است. كه هزینه بهره برداری از انرژی باد حدود 85 درصد در طول 20 سال گذشته كاهش نشان می دهد.

انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال)

انرژی زمین گرمایی، از حرارت حاصل از تجزیه مواد رادیواكتیو، هسته مذاب كره زمین، كوه زایی و واكنش های درون زمین سرچشمه می گیرد. تقریباً در همه جا، در قسمت های كم عمق زمین و یا در 10 فوت بالاتر از سطح زمین درجه حرارت تقریباً یكنواخت باقی می ماند و بین 50 تا 60 درجه فارنهایت (10 تا 16 درجه سانتیگراد) می باشد. چشمه های آب گرم، نمونه هایی از انرژی زمین گرمایی هستند، آب توسط سنگ های زیرزمین گرم می شوند و سپس در سطح زمین جریان می یابند. حدود بیست كشور از این انرژی برای گرم كردن خانه ها، آب و یا برای تولید الكتریسیته استفاده می كنند در حال حاضر بازده كلی این سیستم كمتراز یك درصد از انرژی مورد نیاز جهان است.

درسال 2000 حجم تولید برق و حرارت از انرژی زمین گرمایی در جهان 65/49261 گیگاوات ساعت برق بوده است.

نتیجه گیری

آمارها، گویای آن است كه بزرگ ترین عامل انهدام و آلودگی محیط زیست درمیان عوامل انسان ساخت، عبارت است از تولید، تبدیل ومصرف انواع انرژی، این درحالی است كه نه تنها مصرف انرژی درجهان در سطح ثابتی باقی نخواهد ماند، بلكه پیش بینی ها، حاكی ازافزایش مصرف آن در سال های آتی ناشی از افزایش جمعیت، میل به رفاه و افزایش تولید ناخالص سرانه در جهان كه پیش بینی می شود تا سال 2020 به حدود متوسط 7000 دلار یعنی، تقریباً 75 درصد بیش از سال 1890 باشد.

پیامد مصرف این میزان انرژی، افزایش میزان انتشار دی اكسید كربن از 9/5 گیگا تن كربن در سال 1990 به 4/8 در 2020 خواهد بود. انتشار گازهای آلایندهSOX وNOX را باید به این میزان اضافه كرد. مطالعات وتجربیات نشان می دهد كه دو راه حل اصلی برای تعدیل این مشكل وجود دارد:

- افزایش بازده مصرف انرژی

- افزایش سهم انرژی های تجدید پذیر در تركیب انرژی جهان

یادآوری این نكته بسیار مهم است كه استفاده از انرژی های تجدید پذیر در مقایسه با سوخت های فسیلی، هر چند از هزینه بهره برداری بسیار اندك برخوردار است، لكن هزینه های سرمایه گذاری بسیار بالاتر و حتی چندین برابر خواهد داشت. به عنوان نمونه، هزینه های سرمایه گذاری توربین های بادی حداقل سه برابر، نیروگاه های حرارتی خورشیدی بیش از 8 برابر وسیستم های فتوولتائیك حدود 10 برابر هزینه سرمایه گذاری توربین های گاز است. در حقیقت، همین موانع سبب شده كه سهم انرژی های نو در حال حاضر كمتر از 2 درصد و در2020 حدود 4 درصد از كل انرژی مصرفی جهان پیش بینی شود. استفاده از منابع انرژی جدید، بجای منابع فسیلی الزامی است. سیستم جدید انرژی آینده، باید متكی به تغییرات ساختاری وبنیادی باشد كه در آن، منابع انرژی بدون كربن، نظیر انرژی خورشیدی و هسته ای وكربن خنثی مانند بیوماس مورد استفاده قرار می گیرند. كه در حال حاضر به دلایل متعدد، نفوذ و توسعه انرژی های نو را بسیار كند ومحدود ساخته است

پلاستیک‌ های هوشمندی ‌که خود درمانی می ‌کنند

---

امروزه با پیشرفت دانش و دستیابی روزافزون محققان به فناوری ‌های نوین، شاهد معرفی انواع و اقسام ابداعات فناورانه هستیم که وقتی با پیشوند هوشمند همراه می ‌شوند، توجه بیشتری را به خود جلب می ‌کنند. البته آنچه ارائه این قبیل سامانه ‌های هوشمند را هر روز جالب‌ تر از پیش می ‌سازد، حضور آنها بر موج بلند و پرسرعت پیشرفت ‌های لازم برای توسعه نیازمندی ‌های کنونی ما و بالاخص مرزهای کشف نشده این فناوری پرقابلیت در مقام پیش نیازی برای پاسخگویی نیازهای فردای بشر است.

---

در این میان دانش مواد و حوزه پلیمرها به عنوان رکن اصلی شکل‌ گیری مواد ترکیبی و مصنوعات نیز از ورود فناوری ‌های هوشمند به عرصه خود بی نصیب نمانده و بویژه شاهد تحولاتی در حوزه هوشمند سازی و خودگردانی مواد پلیمری برای دست یافتن به خواص و کارکردهای متفاوت هستیم.از رهگذر همین تلاش‌ ها، دانشمندان از نوع جدیدی پلاستیک پرده ‌برداری کرده‌اند که با سایر انواع دیگر آن تفاوتی اساسی دارد و می ‌تواند هنگام قرار گرفتن در معرض نور معمولی به ترمیم و بهبود خودش بپردازد. صحبت از دانش مواد و بویژه شاخه پلیمرهاست که از این پس و با ابداع فناوری پلیمرهای هوشمند به صحنه مهمی برای نمایش دستاوردهای آینده فناوری ‌های ساخت و ترکیب مواد تبدیل خواهد شد و بی ‌شک با ورود مواد هوشمند و برخوردار از قابلیت‌ های دلخواه به ساختار مواد ترکیبی همچون پلاستیک‌ها می‌توان چشم انتظار بروز تحولات چشمگیری در تهیه، تولید و بازیافت کالاهای پلاستیکی بود.

البته مروری بر پلیمرها و دنیای پلیمری می ‌تواند آمادگی مناسبی برای پرداختن به ماجرای پلیمرهای هوشمند و ساز و کار آن فراهم کند. یک پلیمر(بسپار) در واقع یک مولکول بزرگ یا ماکرومولکول است که از ترکیب و تکرار واحدهای ساختمانی مشابه به هم ایجاد می‌شود و این اجزای متشابه ‌الترکیب از طریق جوش خوردن پیوندهای شیمیایی در زمانی که اتم‌ها الکترون ‌ها را به شراکت می ‌گذارند به هم متصل می ‌شوند. بسیاری از پلیمرها جزو پلاستیک ها هستند، اما سایر مواد طبیعی و مصنوعی نیز در همین رده ‌بندی جای می ‌گیرند.

شناخته‌ شده‌ ترین پلیمرهای مصنوعی شامل لاستیک مصنوعی، نئوپرن، نایلون، پی.وی.سی، پلی ‌استیرن، پلی ‌اتیلن و سیلیکون می ‌شوند. نگاهی به این نام‌ های آشنا (که دنیای مواد ترکیبی و مصنوعی پیرامون ما را تشکیل می ‌دهند و تأمین نیازهای زندگی بدون آنها کمتر امکان‌ پذیر نشان می ‌دهد)‌ ما را بیش از پیش با واقعیت قلمرو مواد ترکیبی و تحولات آن نزدیک می‌سازد.

 این ماده جادویی می ‌تواند کاری کند که بسیاری از محصولات پلیمر بنیان دنیای اطراف ما هم طول عمرشان به درازا بکشد و هم دیرپایی و دوامشان بهبود و افزایش پیدا کند. محصولات پلیمری فراوان و متنوعی از اقلام معمول خانگی نظیر کیسه ‌ها و ظروف نگهداری مواد غذایی گرفته تا تویی لاستیک ‌ها و تجهیزات پزشکی گران ‌قیمت و حتی بیشتر اسباب بازی ‌های کودکان، تنها نمونه ‌ای از کالاهای پلاستیکی شکل‌ گرفته با این پلیمرهای هوشمند می ‌توانند باشند.

امروزه پلاستیک‌های لاستیک مانند سفت و بادوام در میان هزاران قلم کالاهای مصرفی پیدا می ‌شوند، اما حتی این پلاستیک‌های قرص و محکم هم نقاط ضعفی دارند، چراکه وقتی این مواد استفاده می ‌شوند نسبت به صدمات و آسیب‌دیدگی ناشی از خراشیدگی‌ها، برش‌ها و سوراخ‌ها بسیار آسیب‌پذیر نشان می ‌دهند. با نیم‌نگاهی به پیرامون خود و محیط زیست می ‌بینیم که در خانه، اداره، فروشگاه، صنایع و کارخانجات همه ما به نحوی از یک چرخه «آسیب و دورریز» مطابق سلیقه و نگرش و فرهنگ خودمان درخصوص کالاهای مصرفی پلاستیکی پیروی می‌کنیم. مکان‌های دفن زباله و پسماندهای شهری، انباشته از اشیای پلاستیکی دورانداخته شده ‌ای هستند که علت رها شدن شان شکستن، بریدگی، ترک خوردن یا سوراخ شدن است و در مواقعی سبب بروز مخاطرات ایمنی می ‌شوند.

 در این میان و با توجه به حجم انبوه و روزافزون اشیا و کالاهای پلاستیکی که به علت فرسودگی و آسیب از رده خارج می ‌شوند، نیاز به ارائه موادی با قابلیت ترمیم و اصلاح خود به خودی بیش از هر گزینه دیگری به کانون توجه و تلاش ‌های محققان برای ساخت مواد هوشمند و خودفرمان بدل شده است. پیرو همین تلاش‌ها دیده می‌شود که اکثر رویکردهای اتخاذ شده از سوی دانشمندان برای مواد پلیمر بنیان قابل علاج و بهبودپذیر، نیازمند گرمایش نواحی آسیب‌ دیده و به کار بردن وصله است. البته باید اعتراف کرد که مهم ‌ترین و چالش ‌برانگیز‌ترین بخش ماجرا همین قضیه گرمایش و نحوه دریافت و اعمال آن از سوی پلیمرهاست. نکته جالبی که در مورد رویکرد تازه دانشمندان برای ابداع پلیمرهای هوشمند درمان‌ پذیر وجود دارد، تدبیر متفاوتی است که برای بخش گرمایش پلیمرهای هوشمند به کار بسته ‌اند. دانشمندان دانشگاه کیس وسترن خط مشی دیگری را در دستور کار خود قرار می‌دهد و آن ارائه یک ماده لاستیک مانند خود درمانگر حاوی فلز است که قادر به جذب نور ماورای بنفش و تبدیل آن به حرارت متمرکز و موضعی است.

دانشمندان از نوع جدیدی پلاستیک پرده ‌برداری کرده‌اند که می ‌تواند هنگام قرار گرفتن در معرض نور معمولی به ترمیم و بهبود خودش بپردازد.

دانشمندان آنچه توسعه داده ‌اند را یک ماده پلاستیکی جدید متشکل از زنجیره‌ های بسیار کوچک معرفی می ‌کنند که این زنجیره‌ ها به هم می چسبند و با همگذاری و جفت شدن، زنجیره‌ های بسیار بزرگ ‌تری را تشکیل می ‌دهند. ولی آنچه مخصوص این مولکول طراحی و در نظر گرفته شده است، قابلیت سوا شدن و به هم ریختن هنگام قرارگرفتن در معرض نور است. براساس همین توانایی زمانی که مولکول اقدام به جداسازی و اوراق کردن زنجیره‌ها  ، مواد جدا شده به سوی پرتگاه یا شکاف جریان می‌یابد و به این ترتیب سامانه بهبود می‌پذیرد. گزارش این پژوهش که در نشریه Nature منتشر شده به نکات جالب توجهی اشاره دارد که کار دانشمندان و رویکرد انتخابی ‌شان برای منبع گرمایش و قابلیت خودترمیمی مولکولی را شاخص می ‌سازد. به عنوان نمونه استفاده از نور به این شیوه از مزیت‌ هایی افزون بر گرمایش مستقیم برخوردار است و می ‌تواند برای هدف‌ گیری نقطه ‌ای یا تعیین دقیق هدف در ناحیه صدمه دیده و همچنین برای ترمیم و اصلاح اشیا و اهدافی که هنوز زیر بار تنش و کششی هستند به کار آید.

موضوع جالبی که دانشمندان در مورد این دسته از مواد هوشمند خاطر نشان می ‌کنند، بهره گیری از پتانسیل بالقوه خود درمانی و بهبودپذیری آنها برای گسترش کاربردهای بیشتر آن است. درواقع مواد هوشمندی با قابلیت ترمیم و بهبود صدمات ناشی از فرآیند طبیعی استهلاک و فرسودگی می ‌توانند سودمندی خود را در حوزه‌ هایی همچون حمل و نقل، ساخت و ساز، بسته ‌بندی و بسیاری کاربردهای دیگر به اثبات برسانند. در همین رابطه برخی محققان معتقدند پلیمرهای بهبودپذیر می ‌تواند به عنوان چاره و راه‌حلی برای چرخه آسیب و دورریز کالاهای مصرفی مطرح شود که مردم برخی کشورها با شدت بیشتری با آن مأنوس هستند. ضمن این که پلیمرهای بهبودپذیر می ‌تواند به منزله گام اولیه ‌ای در روند توسعه کلاسی از مواد پلیمری مطرح شود که در مقایسه با مواد پلیمری قابل دسترس فعلی از طول عمر بسیار بالایی برخوردارند. در این بین اما موانعی نیز وجود دارند که باید پشت سر گذاشته شوند تا این تحقیق مفهومی بتواند به مرحله تولید در مقیاس صنعتی خودش ترجمه شود.

انواع روش‌های کدگذاری (2)

---

همان‌طور که در مطلب "اصول اولیه کدگذاری داده‌ها"  به طور مفصل توضیح دادیم، برای انتقال داده‌ها چه به صورت دیجیتال و چه به صورت آنالوگ، بسته به نوع محیط انتقال داده‌های باید به صورت دیجیتال یا آنالوگ کد گذاری شوند. در این مقاله تلاش بر این است که خوانندگان با تکنیک‌های کدگذاری به صورت دقیق تر آشنا شوند.

---

در قسمت قبلی کدگذاری های کد خط، شامل تک قطبی، قطبی را توضیح دادیم. همچنین گفتیم کدگذاری قطبی خود به سه دسته RZ، NRZ و دوفازی تقسیم می‌شود. در این مقاله ابتدا روش دو فازی توضیح داده می‌شود.

 

کد گذاری دو فازی

روش دوفازی، در این روش سعی شده مشکلات دو روش قبلی تا حدودی حل شود. خود این روش به قسمت منچستر (Manchester) و منچستر تفاضلی (Differential Manchester) تقسیم بندی می‎شود.

 

منچستر

در این تکنیک، در وسط هر دوره بیتی، یک گذار وجود دارد که به عنوان محتوای بیت و کلاک مورد استفده قرار می‌گیرد. مانند شکل اگر از high به low برویم صفر و اگر از low به high برویم، یک کد می‌شود.

منچستر تفاضلی

در این روش، مانند NRZ-I از عدم تغییر استفاده می‌کنیم. در روش NRZ-I عدم گذار به معنای صفر بود ولی در اینجا عدم وارونگی به معنای یک است.

کد گذاری دو قطبی

در این روش، به جای دو سطح ولتاژ، از سه سطح ولتاز مثبت، منفی و صفر استفاده می‌کنیم. اگر یادتان باشد در روش RZ نیز از سه سطح ولتاژ استفاده می‌کردیم ولی سطح صفر، نشانگر داده دودویی نبود. در این هر سه سطح نمایانگر داده هستند.

کدگذاری AMI

رشته ی داده های بیتی در این تکنیک به این صورت کد می‌شود که عدد صفر، به ولتاژ صفر نسبت داده می‌شود و عدد یک به ولتاژهای مثبت و منفی. به این صورت که اولین یک، ولتاژ مثبت می‌گیرد و یک بعدی ولتاژ منفی و این روند تا آخر رشته بیتی انجام می‌شود.

اشکال این روش احتمال خطای بیشتر آن نسبت به روش های منچستر و NRZ است ولی در مقابل با کاهس مولفه DC و امکان همگام سازی و استفاده کارا از پهنای باند رو به رو هستیم.

کدگذاری B8ZS

این تکنیک از تکنیک های منشعب شده از AMI است. یکی از معیب روش AMI وجود صفرهای متوالی بود زیرا در این حالت سیگنال برای مدتی صفر خواهد بود و هم زمانی از میان می‌رود. عدد 8 در نام این روش بدین معناست که در انتهای هر هشت صفر متوالی یک تغییر مصنوعی در سیگنال به وجود می‌آوریم. مطابق تصویر، اگر آخرین یک دارای ولتاژ منفی باشد، تغییر مصنوعی دارای 5 پالس منفی، مثبت، صفر، مثبت و صفر می‌شود. و اگر آخرین یک دارای ولتاژ مثبت باشد، تغییر مصنوعی دارای 5 پالس مثبت، منفی، صفر،منفی و مثبت است. دقت کنید که این 5 پالس در گیرنده به عنوان عدد صفر تعبیر می‌شوند.

این روش استاندارد کدگذاری آمریکای شمالی است.

کد گذاری HDB3

در این روش به جای هر 8 بیت صفر متوالی، 4 بیت صفر متوالی در نظر گرفته می‌شود. شکل تغییر مصنوعی به تعداد زوج یا فرد بودن یک‌هاتا قبل از رسیدن به 4 صفر متوالی بستگی دارد. به این ترتیب که اگر تعداد یک ها زوج بود، تغییر مصنوعی به شکل 4 پالس مثبت، صفر، صفر و مثبت خواهد بود و اگر تعداد یک ها فرد باشد، تغییر مصنوعی به شکل صفر، صفر، صفر و منفی خواهد بود. این تکنیک کدگذاری در اروپا و ژاپن مورد استفاده قرار می گیرد.

کد گذاری 21BQ

در این روش از 4 سطح ولتاژ استفاده می‌کنیم به طوری که هر پالس نمایانگر دو بیت داده است. چهار سطح به ترتیب: +3، +1، -1 و -3 هستند. این روش به سطح قبلی وابسطه است.

 

اگر سطح قبلی مثبت باشد و بیت بعدی به ترتیب زیر باشد، ولتاژ برابر است با :

00: ولتاژ +1

01: ولتاژ +3

10: ولتاژ –1

11: ولتاژ -3

 

اگر سطح قبلی منفی باشد و بیت بعدی به ترتیب زیر باشد، ولتاژ برابر است با:

00: ولتاژ -1

01: ولتاژ +1

11: ولتاژ +3

 

کدگذاری MLT-3

این روش مانند NRZ-I است با این تفاوت که از سه سطح ولتاژ استفاده می‌کنیم. سطوح مثبت، منفی و صفر.

• اگر بیت بعدی صفر باشد گذار نداریم.

• اگر بیت بعدی یک باشد و سطح فعلی غیر صفر، سطح بعدی صفر است.

• اگر بیت بعدی یک باشد و سطح فعلی صفر، سطح بعدی غیر صفر و معکوس آخرین سطح غیر صفر است.

پاد ماده، سوخت جدید ما؟

بسیاری از سفینه‌ها در داستان‌های علمی ـ تخیلی از پادماده به عنوان سوخت استفاده می‌کردند؛ زیرا پادماده قوی‌ترین سوخت شناخته شده در طبیعت است. در حالی که برای سفر از زمین به مریخ چند تن سوخت شیمیایی لازم است، تنها چند میلی‌گرم از پادماده می‌تواند ما را به مقصد برساند. اما در واقعیت این سوخت معایبی نیز دارد. بعضی از فعل و انفعالات پادماده مقادیر زیادی پرتو گاما ایجاد می‌کند. این پرتوها در ماده نفوذ کرده و مولکول‌های سلول‌های زنده‌ی بدن انسان را از هم می‌پاشند. در نتیجه وجود این پرتوها در محیط بسیار مضر است. پرتوهای پرانرژی گاما همچنین می‌توانند اتم های مواد سازنده‌ی موتور سفینه را بشکافند.

 

"موسسه‌ی مفاهیم پیشرفته ناسا" با سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقی جدید، در حال تلاش برای ساخت نوعی سفینه با سوخت پادماده است که پرتوهای گاما با انرژی بسیار کم تولید کرده و ضرری برای انسان نداشته باشد. با آن که پادماده از نظر ظاهر کاملاً شبیه به ماده است، بسیاری از خواص مهم آن با ماده تفاوت دارد. برای مثال، الکترون‌ها (ذراتی که بار الکتریکی را جا به جا می‌کنند) بار منفی دارند. اما در پادماده این ذرات درست بر عکس ماده بوده و بار مثبت را جا به جا می‌کنند. به همین دلیل دانشمندان این ذرات را "پوزیترون" می‌نامند. هنگامی که ماده و پادماده با یکدیگر برخورد کنند، هر دو تبدیل به انرژی می‌شوند.

 

این تبدیل کامل به انرژی، منشا قدرت بسیار زیاد پادماده است. این نوع تبدیل به انرژی در طبیعت بی نظیر است. حتی در واکنش‌های هسته‌ای که در بمب‌های اتمی اتفاق می‌افتند، تنها سه درصد ماده تبدیل به انرژی می‌شود.

در طرح‌های گذشته از سفینه‌هایی با سوخت پادماده، برای تولید انرژی از پادپروتون‌ها (ذراتی مانند پروتون با بار منفی که در هسته‌ی اتم‌های پادماده قرار دارند) استفاده می‌شد که این ذرات، پرتوهای گاما با انرژی بسیار زیاد تولید می‌کردند. اما در طرح جدید، با استفاده از تبدیل پوزیترون‌ها به انرژی، پرتوهای گاما با انرژی معادل ۴۰۰ برابر کمتر از حالت قبل ایجاد می‌شوند.

 

این تحقیق، مطالعه‌ی اولیه‌ای برای آزمایش عملی بودن این طرح است. اگر این طرح عملی باشد و بودجه‌ی لازم برای تکمیل پروژه در دست باشد، سفینه‌ای با سوخت پوزیترون در عملیات سفر انسان به مریخ بر دیگر سفینه‌ها، چند برتری بسیار مهم دارد:

• دکتر "جرالد اسمیت"، سرپرست گروه تحقیقاتی سفینه‌ی پاد‌ماده، می‌گوید: "اولین و مهم‌ترین مزیت، امن‌تر بودن سفر با سفینه‌ی پوزیترون (سفینه‌ای که با سوخت پوزیترون حرکت می‌کند) است". در طرح فعلی سفر انسان به مریخ، در سفینه‌ی فضایی مورد نظر از راکتور هسته‌ای استفاده می‌شود که این کار طول سفر و خطرات موجود برای سرنشینان را کاهش می‌دهد. هم چنین سفینه‌های عادی (با سوخت شیمیایی) هزینه و وزن بیشتری دارند. اما عیب سفینه‌ای با سوخت هسته‌ای، پیچیده بودن راکتورهای آن است که باعث می‌شود احتمال بروز مشکل در طول سفر بسیار بیشتر گردد.
• اسمیت می‌گوید: "سفینه با سوخت پادماده همان مزایای راکتور هسته‌ای را داراست علاوه بر این که طرز کار آن بسیار ساده است". یکی دیگر از معایب سفینه‌های راکتوری آن است که راکتورهای هسته‌ای، حتی پس از آنکه سوخت آنها تمام می‌شود، رادیواکتیو بوده و بسیار خطرناکند. به همین دلیل پس از آنکه سفینه به مریخ برسد، راکتور باید در مداری به دور مریخ رها گردد به طوری که تا چند میلیون سال آینده (زمانی که اثرات رادیواکتیوی آن تقریبا به طور کامل از بین برود) با زمین برخورد نکند. سفینه‌ای با سوخت پادماده این عیب مهم را ندارد چون در راکتور پوزیترونی (دستگاهی که در آن پوزیترون به انرژی تبدیل می‌شود)، پس از آنکه سوخت به اتمام برسد، دیگر تشعشعات مضر تابش نمی‌کند و در نتیجه نگرانی برای ورود آن به جو زمین وجود ندارد.
• پرتاب سفینه‌ی پوزیترونی نیز بسیار بی‌خطر است. اگر سفینه‌ی حامل راکتور هسته‌ای منفجر شود، ذرات رادیواکتیو آن به جو زمین می‌رسد. اسمیت می‌گوید: "اما سفینه‌ی پوزیترونی ما پس از انفجار تنها مقادیری پرتو گاما را در فضا پخش خواهد کرد که تا شعاعی در حدود یک کیلومتر می‌رسند. این منطقه به شعاع یک کیلومتر که منطقه‌ی خطر (منطقه‌ای در اطراف سفینه که در صورت انفجار آن در معرض خطر شدید قرار می‌گیرد) نامیده می‌شود، در سفینه‌های بزرگ با سوخت شیمیایی نیز در همین اندازه است. (کره‌ای از آتش به دور این نوع سفینه‌ها تشکیل می‌شود)
• مزیت بزرگ دیگر، سرعت این نوع سفینه‌هاست. یکی از مهندسان پروژه‌ی سفینه‌ی پوزیترونی می‌گوید: "طراحی‌های پیشرفته‌ی ما نشان می‌دهد که سفینه‌ی پوزیترونی می‌تواند در ۴۵ روز به مریخ برسند." موتورهای پیشرفته، سرعت خود را با گرم شدن موتور افزایش می‌دهند. این کار باعث می‌شود تا کارآیی یا "تکانه‌ی مخصوص" آنها افزایش یابد. هر چه "تکانه‌ی مخصوص" بیشتر باشد، سفینه می‌تواند قبل از آنکه سوخت خود را به اتمام برساند، با سرعت بیشتری حرکت کند. بهترین سفینه‌های با سوخت شیمیایی، تکانه‌ی مخصوصی در حدود ۴۵۰ ثانیه دارند. به این معنا که یک پوند (تقریباً نیم کیلوگرم) از سوخت آنها، نیرویی به مدت ۴۵۰ ثانیه به سفینه وارد می‌کند. تکانه‌ی مخصوص هر راکتور هسته‌ای یا پوزیترونی در حدود ۹۰۰ ثانیه است.

 

مهم‌ترین مسئله‌ی فنی برای ساخت سفینه‌ی پوزیترونی، هزینه‌ی تولید پوزیترون‌هاست. این ذرات به علت واکنش دادن با مواد، در اطراف ما بسیار کم یابند. بر روی زمین، این ذرات باید در شتاب دهنده‌ها (دستگاه‌های عظیمی که الکترون‌ها را به یکدیگر می‌کوبند) ایجاد شوند. این دستگاه‌ها غالباً برای کشف نوع رفتار ماده و پادماده در مراحل اولیه‌ی جهان به کار می‌روند اما می‌توان از آنها به عنوان تولید کننده‌ی پادماده نیز استفاده کرد. دکتر اسمیت می‌گوید: "تخمین ما از هزینه‌ی تولید ۱۰ میلی‌گرم پوزیترون که برای رساندن سفینه از زمین به مریخ کفایت می‌کند، چیزی در حدود ۲۵۰ میلیون دلار است." این مقدار ممکن است در ابتدا زیاد به نظر برسد اما باید آن را با هزینه‌ی ساخت و پرتاب سفینه‌ای با سوخت شیمیایی (به ازای هر پوند وزن، ۱۰۰۰۰ دلار هزینه) و هزینه‌ی تولید سوخت هسته‌ای و ساخت راکتوری بی‌خطر برای سفینه‌های هسته‌ای مقایسه کرد.

 

اسمیت می‌گوید: "تجربه‌ی ما در مورد سفینه‌های هسته‌ای نشان می‌دهد که با تحقیقات بیشتر بر روی طرح جدید، هزینه‌ی ساخت سفینه‌های پوزیترونی به تدریج کاهش خواهد یافت." مسئله‌ی دیگر نگه داشتن مقادیر زیادی پوزیترون در فضایی کوچک است. از آنجا که این ذرات در برخورد با مواد عادی تبدیل به انرژی می‌شوند، نمی‌توان مثلاً آنها را در یک بطری نگه داشت. در نتیجه باید از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی برای محدود کردن و نگه‌داشتن پوزیترون‌ها استفاده کرد. دانشمندان امیدوارند که با تحقیقات بیشتر و در برنامه‌های آینده، این مشکل نیز به راحتی حل شود و ساخت این سفینه امکانپذیر گردد.

پازل منظومه‌ی خورشیدی

پازل منظومه‌ی خورشیدی

خورشید و سیارات، اجزا اصلی منظومه‌ی خورشیدی هستند. اعضاء دیگر این منظومه عبارتند از :

1. سیارات کوتوله، مانند پلوتون که بنا به تعریف جدید از لیست سیارات منظومه خورشیدی خارج شد و یک سیاره کوتوله شناخته شده است.
2. مجموعه‌ای از سیارک‌ها یا ستارگان صغار.
3. اقماری که به دور شش تا از این سیارات می‌گردند. که تا کنون تعداد 166 قمر برای این سیارات کشف شده است.
4. تعداد زیادی شهاب وار.
5. ستارگان دنباله‌دار .

حال شما باید این پازل را بسازید. این بازی دارای سه سطح است. در سطح اول یاplanet level شما باید هر کدام از سیارات منظومه ی خورشیدی را در مدار خودش قرار دهید. در سطح دوم یاlevel moon باید اقمار هر کدام از این سیارات را در جای مناسب خود بگذارید. و در آخر سطح سوم یاhardware level که شامل جای گذاری مناسب مدار گردها، تلسکوپ های فضایی و خلاصه همه تجهیزاتی است که انسان به منظومه خورشیدی اضافه کرده است. اگر در هر کدام از این سه سطح به راهنمایی نیاز داشتید می‌توانید دکمه یturn on help را بزنید و سپس با موس بر روی شکل آن سیاره، قمر یا قمر مصنوعی بروید و توضیحاتی را که در مورد آن به شما داده شده ببینید.

 

 

دریافت پازل

برای اجرای بازی پس از دریافت به نرم افزار Win RARوFlash Player احتیاج دارید.

سایه و نیم سایه – کسوف و خسوف

 

در تابستان 78، پدیده ی خورشید گرفتگی (کسوف) در کشور رخ داد که در اصفهان قابل رویت بود. افراد بسیاری از داخل و خارج کشور برای مشاهده ی این پدیده ی زیبا به اصفهان رفتند. ما نیز در این طرح کار، چگونگی رخ دادن این پدیده ی مهم را بررسی می کنیم.

وسایل لازم:

- قلم و کاغذ

- لامپ و سرپیچ و سیم

- یک تکه مقوای کلفت (20*20 سانتی متر )

- یک کاغذ سفید معمولی ( مثل کاغذ ₄ A)

- قیچی

 

 از دبیرستان با چشمه های نقطه ای و گسترده ی نور آشنا هستید. به یاد دارید که هرگاه جسمی مقابل یک چشمه ی گسترده ی نور قرار ‌گیرد که از خود جسم بزرگ تر است، سایه ای مشخص و دقیق از آن تشکیل نمی شود، بلکه در اطراف سایه، هاله ای وجود دارد که با دور شدن از آن رفته رفته ناپدید می‌شود. این هاله را نیم سایه می‌نامیم.

آیا می دانید چرا تیرگی از نقطه ی میانی به سمت کناره‌ها، کم می‌شود؟ با کمک شکل زیر، به این سؤال پاسخ دهید.

اگر مورچه ای در نقطه ی A قرار گیرد، لامپ را می‌بیند؟

مورچه ای که در نقطه ی B قرار دارد، چه طور؟

و مورچه های نقاط C و D ؟ 

با یک لامپ و یک تکه مقوای گرد مانند شکل بالا، آزمایشی را انجام دهید. صفحه ی کاغذ سفید را در نقطه های مشخص شده، سوراخ کنید و خود به جای مورچه ‌ها از این سوراخ‌ها به لامپ نگاه کنید.

آن چه را که از سوراخ های 1 تا 6 می‌بینید، در نوار کاغذی زیر بکشید.

حال لامپ را به عنوان خورشید در نظر بگیرید و کاغذ گرد را ماه فرض کنید. در این صورت مورچه های A….D پدیده ی خورشید گرفتگی را مشاهده می‌کنند. یکی از آن ها هنگام عبور زمین از سایه ی ماه ( یعنی زمان خورشید گرفتگی ) عکس های زیر را گرفته است.

 

این عکس را با نواری که خودتان در مرحله ی قبل تکمیل کرده بودید، مقایسه کنید. اگر این عکس ها، شبیه نتایج کار شما نیست، یک بار دیگر همین قسمت آزمایش را تکرار کنید. تاکنون با همین وسایل ساده توانسته اید پدیده ی خورشید گرفتگی را شبیه سازی کنید. اما عکس زیر مربوط به چه پدیده ای است؟

دوباره به سراغ وسایل آزمایش می رویم. این بار 2 قدم از کاغذ گرد دورتر شوید و کارهای مرحله ی قبل را انجام دهید. آن قدر سر خود را جا به جا کنید تا شکلی شبیه شکل زیر ببینید.

اگر بدانید که مدار ماه به دور زمین بیضی شکل است، حتماً می‌توانید در مورد عکس قبل توضیح دهید. در شکل زیر، با رسم پرتوهای مناسب سایه و نیم سایه را مشخص کنید.

حال بگویید مورچه ی نقطه ی A چه قسمتی از خورشید را می‌بیند. با این آزمایش هم خورشید گرفتگی حلقوی را شبیه سازی کردیم . آیا می توانید بگویید عکس زیر مربوط به چه پدیده ای است؟

عکس گذر زهره

نمودار زمانی - کشف ژنوم انسان

1986

اولین مباحثات در مورد آغاز پروژه ژنوم ( نقشه ژنتیکی ) انسان انجام می‌گیرد.

 

1989

فرانسیس کالینز و لپ چی سوئی ژن بیماری Cystic Fibrosis را شناسایی می‌کنند.

 

1990

اولین ژن درمانی (gene therapy) موفقیت آمیز بر روی دختری که دارای نقص ارثی دستگاه ایمنی است، انجام می‌گیرد.

 

1993

ژن بیماری Huntington کشف می‌شود.

 

1994

اولین محصول غذایی تولید شده به کمک مهندسی ژنتیک، مورد قبول مؤسسه نظارت بر دارو و تغدیه آمریکا (FDA) واقع می‌شود.

 

1996

بره ای به نام Dolly که نخستین پستانداری است که با تولید مثل غیر جنسی حاصل شده، به دنیا می‌آید.

 

2000

در بیست و ششم ژوئن کمپانی خصوصی Celera و مسؤولان پروژه ملی ایالات متحده به طور همزمان اعلام می‌کنند که موفق شده اند نسخه پیش نویس ژنوم ( نقشه ژنتیکی ) انسان را کشف نمایند.

 

20003

در 15 آوریل اعلام می‌گردد که نسخه نهایی ترتیب ژنوم ( نقشه ژنتیکی ) انسان تکمیل شد.

نمودار زمانی - مهندسی ژنتیک

1966

مارشال نیرنبرگ، گوبیند خورانا، فرانسیس کریک، جرج گاموف و سایر دانشمندان موفق می‌شوند کد ژنتیکی را بگشایند: شصت و چهار نوکلئوتید سه جزئی که کد ژنتیکی جامع تمام سلولها و ویروس‌ها را تشکیل می‌دهند.

 

1968

ورنر آربر موفق می‌شود آنزیم های محدود کننده را استخراج کند.

 

1972

پل برگ با استفاده از آنزیم های محدود کننده موفق به بریدن و متصل کردن قطعات DNA می‌شود و نخستین رشته DNA دارای صفات ارثی جدید را تولید می‌نماید.

 

1977

فرد سنجر و سایر دانشمندان با همکاری هم ترتیب DNA را معین می‌کنند.

 

1980

دیوان عالی ایالات متحده آمریکا اجازه ثبت اکتشافات در زمینه ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی را صادر می‌نماید.

 

1982

کمپانی Eli Lilly با اصلاح ژنتیکی نوعی باکتری، از آن دارویی به نام " هومولین " (Humulin) به دست می‌آورد. هومولین که نوعی انسولین است، اولین دارویی است که با مهندسی ژنتیک تولید می‌شود.

 

1983

جیمز گزلا با استفاده از نمونه های خون جمع آوری شده توسط نانسی وکسلر در ونزوئلا نشانه های بیماری Huntington را شناسایی می‌کند.

 

1985

کری مولیس، با ابداع روش PCR راهی مناسب برای کپی برداری دقیق و فراوان از نمونه های DNA ایجاد می‌کند.

نمودار زمانی - تولد ژنتیک

پیش از 1945

حدودا سه هزار سال پیش از میلاد سومری‌ها و چینی های باستان با تکنیک های خاص کشاورزی شروع به پرورش و کشت نژادهای خاصی از حیوانات و گیاهان می‌نمایند.

 

1866

گرگور مندل تحقیقات خود دوباره توارث در گیاه نخود را منتشر می‌کند. او نشان می‌دهد که عامل های مشخصی - که بعدها " ژن " نامیده شدند - از والدین به فرزندان منتقل می‌شود.

 

1869

فردریش میشر در هنگام کار با پانسمان های خاک آلود ماده ای اسیدی به نام " نوکلئین " را در هسته سلول کشف می‌کند. این ماده بعدها " DNA " نام گرفت.

 

1900

هوگو دوریس، کارل کورنس و اریک فون شرماک در بررسی های مستقل از هم یافته های مندل را تأیید می‌نمایند.

 

1911

توماس مورگان نشان می‌دهد که ژن‌ها به صورت خطی برروی کروموزوم‌ها قرار گرفته اند.

 

1928

فردریک گریفیث، در آزمایش با موش ها بخش مرگبار یک نوع باکتری ذات الریه را به نوع دیگری از باکتری مولد ذات الریه انتقال می‌دهد. او اعلام می‌کند که بایستی یک " عامل انتقال ژنتیکی " در باکتری وجود داشته باشد.

 

1929

فوبوس لون متوجه می‌شود که در ساختمان اسیدهای نوکلئیک، قند دئوکسی ریبوز وجود دارد و کمی بعد اثبات می‌کند که DNA از تعدادی نوکلئوتید تشکیل می‌شود و هر نوکلئوتید شامل یک قند دئوکسی ریبوز، یک گروه فسفات و یکی از بازهای چهارگانه (A,G,C,T) است.

 

1943

ویلیام استبری نخستین تصاویر پراش پرتو X را ازمولکول DNA تهیه می‌کند.

 

1944

اسوالد اوری و همکارانش اثبات می‌کنند که DNA " عامل انتقال ژنتیکی " در آزمایش گریفیث بوده، نه پروتئین ها.

نمودار زمانی - کشف DNA

49 - 1948

لینوس پاولینگ اظهار می‌کند که کم خونی سلول داسی شکل به دلیل نقص در ساختار یک پروتئین ایجاد می‌شود و اندکی بعد نشان می‌دهد که شکل ظاهری عده ای از پروتئین‌ها به صورت مارپیچی است.

 

1950

اروین شارگاف نشان می‌دهد که میزان نوکلئوتیدهای ادنین (A) با تیمین (T) و میزان نوکلئوتیدهای سیتوزین (C) با گوآنین (G) برابر است، یعنی به ازای هر A یک T و به ازای هر C یک G وجود دارد.

 

1952

آلفرد هرشی ومارتا چیس نشان می‌دهند که DNA ویروس در کنار پروتئینی که متعلق به آن ویروس نیست، می‌تواند ویروس های جدید بسازد؛ این آزمایش اثبات می‌کند که DNA ، مولکول انتقال دهنده صفات وراثتی است.

 

1952

موریس ویلکینز و رزالیند فرانکلین با استفاده از پرتو X از کریستالهای DNA تصاویری تهیه می‌کنند که بعدها سبب هدایت واتسون و کریک به سوی نتایج مشهور آنها می‌گردد.

 

1953

جیمز واتسون و فرانسیس کریک مدل سه بعدی خود از مولکول DNA را ارائه می‌کنند: DNA از دو رشته مارپیچی که با بازهای مکمل به هم متصل شده اند، تشکیل می‌شود.

 

1959

ژروم لژون نشان می‌دهد که سندروم داون در اثر وجود یک کروموزوم اضافی به وجود می‌آید. تولید سه کپی از کروموزم 21 سبب بروز این عارضه می‌گردد.

ساختمان مولکول DNA

در اواخر قرن نوزدهم یک بیوشیمیست آلمانی نشان داد که اسیدهای نوکلئیک ( مولکول‌های زنجیری بلند که از واحد های ساختمانی کوچک تری به نام " نوکلئوتید" تشکیل شده اند . ) دارای قند، اسید فسفریک و چند باز نیتروژن دار می‌باشند. اندکی بعد مشخص شد که قند موجود در اسیدهای نوکلئیک می‌تواند ریبوز یا دئوکسی ریبوز باشد و لذا اسیدهای نوکلئیک به دو دسته DNA ) DeoxyriboNucleic Acid ) - که قند موجود در آن‌ها دئوکسی ریبوز است - و ( RNA RiboNucleic Acid ) - که قند موجود در آن‌ها ریبوز است - تقسیم می‌شوند. پس از کشف اسوالد اوری لازم شد تا ساختار دقیق مولکول DNA و شیوه‌ی عمل آن معین شود.

    

در سال 1948 لینوس پاولینگ (Linus Pauling) کشف کرد که بسیاری از مولکول‌های پروتئینی به شکل یک مارپیچ (helix) هستند، و تقریباً شکلی شبیه فنر دارند. در سال 1950 نیز اروین شارگاف (Erwin Chargaff) نشان داد که اگرچه آرایش بازهای موجود در ساختار DNA بسیار متنوع است، اما همواره نسبت باز ادنین (A) و باز تیمین (T) موجود در آن با هم برابر است و همین طور نسبت باز سیتوزین (C) با باز گوآنین (G). این دو اکتشاف نقش مهمی را در آشکار شدن ساختمان مولکول DNA ایفا نمود.

در دهه‌ی 1950 همچنان رقابت برای کشف ساختار DNA ادامه داشت. در دانشگاه کمبریج کریک (Francis Crick) و واتسون (James Watson) تحت تأثیر کارهای پاولینگ سعی داشتند تا با ارائه‌ی مدل‌های فیزیکی، ساختارهای احتمالی ممکن برای DNA را محدود کنند تا سرانجام به ساختار صحیح دست یابند. گروه دیگری متشکل از ویلکینز (Maurice Wilkins) و فرانکلین (Rosalind Franklin) نیز در کالج کینگ لندن به طور همزمان مشغول مطالعه DNA بود. روش کار این گروه با گروه قبلی متفاوت بود. آن‌ها سعی داشتند تا با روش آزمایشگاهی به ویژه با استفاده از تصاویر پراش اشعه X از مولکول DNA، ساختار آن را معین کنند.

در سال 1951، فرانکلین دریافت که DNA با توجه به میزان رطوبت هوای محیط، می‌تواند دو شکل متفاوت داشته باشد و بنابراین نتیجه گیری کرد که بخش فسفات مولکول در سمت خارجی آن قرار دارد. اندکی بعد او با استفاده از تصاویر اشعه X فهمید که DNA در حالت " مرطوب " (Wet) از تمامی ویژگی های یک مارپیچ (helix) برخوردار است؛  این احتمال که حالت دیگر مولکول DNA نیز به شکل مارپیچی باشد به ذهن او خطور کرد، اما نمی خواست تا زمانی که شواهد قطعی برای این حدس پیدا کند آن را اعلام نماید. در ژانویه 1953 ویلکینز که از به نتیجه رسیدن تحقیقات ناامید شده بود، نتایج تحقیقات فرانکلین را بدون اطلاع و رضایت او، با واتسون در میان گذاشت.

 

واتسون و کریک با استفاده از این نتایج، مدلی بسیار شگفت انگیز را برای ساختار DNA پیشنهاد نمودند. آن‌ها مولکول را به صورت دو زنجیر مارپیچی متشکل از نوکلئوتیدها تصور کردند که یکی از آن‌ها بالا می‌رفت و دیگری پایین می‌آمد. کریک که به تازگی یافته های شارگاف را هم مطالعه کرده بود، سعی کرد با استفاده از آن‌ها نحوه‌ی قرار گرفتن بازها را در مولکول DNA مشخص کند. او اظهار کرد که بازها در میانه‌ی این مارپیچ دوتایی دو به دو به هم متصل می‌شوند تا فاصله بین دو مارپیچ ثابت بماند. آن‌ها ادعا کردند که هر یک از این دو مارپیچ مولکول DNA می‌تواند به عنوان قالبی برای ایجاد دیگری استفاده شود.

 

در تقسیم سلولی، این دو رشته از هم جدا می‌شوند و بر روی هر یک از آن‌ها یک نمونه‌ی جدید شبیه رشته‌ی مقابل قبلی ساخته می‌شود. با این روش بدون اینکه ساختار DNA عوض شود، یک DNA شبیه آن تولید می‌شود. در اندک مواردی که در این روند خطایی پیش بیاید، شاهد " جهش " خواهیم بود. مدل آ‌ن‌ها چنان با اطلاعات حاصل از آزمایش‌ها مطابقت داشت که بلافاصله مورد قبول همه واقع شد. کشف ساختار DNA را می‌توان مهم‌ترین اکتشاف زیستی در صد سال اخیر دانست. در سال 1962 واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت جایزه نوبل شدند، اما متأسفانه فرانکلین در گذشته بود.

 آزمایش DNA

DNA چیزی است که شما را بی نظیر می کند. در بدن شما ده تریلیون سلول وجود دارد. تمام این سلول ها تحت کنترل DNA هستند. DNA به آن‌ها می گوید که باید چه کاری را و چگونه انجام دهند. DNA هر انسانی مختص خود اوست ( مگر اینکه آن فرد یکی از دوقلوهای هم سان باشد )، ولی DNA تمام سلول های بدن یک انسان مشابه یکدیگر است. کلید ردیابی با DNA هم همین است.

 

DNA مولکول کوچکی است، پس ردیابی از طریق DNA کار مشکلی خواهد بود. کوتاه‌ترین زمان لازم برای این کار، 36 ساعت است؛ اما گاهی تا سه هفته هم زمان می برد. این زمان به تعداد و کیفیت نمونه های موجود بستگی دارد. منظور از نمونه، هر چیزی است که حاوی سلولی از یک موجود زنده باشد؛ یک تار مو، یک قطره خون، تکه کوچکی از پوست یا حتی نوشیدنی باقیمانده در لیوان می تواند سرنخ ما باشد. مراحل کار به ترتیب زیر است:

 

ابتدا یک آنزیم محدود کننده (Restriction Enzyme) روی نمونه DNA ریخته می شود. این آنزیم مانند یک قیچی است که مولکول های بلند DNA را به قطعات کوچک تقسیم می کند. محل بریدگی به کد ژنتیکی DNA و کد ژنتیکی آنزیم مورد استفاده بستگی دارد. مثلاً یک نوع آنزیم، وقتی به رشته بازهای GAATTC برسد، مولکول DNA را می برد. طول این تکه های DNA در افراد مختلف، متفاوت است؛ چون کد ژنتیکی هر انسانی خاص خود اوست. بعضی از قطعه ها کوتاه و برخی دیگر بلند هستند.

 

( اگر متوجه نمی شوید، اینجا را بخوانید)

 

در مرحله‌ی بعدی از ماده ای به نام ژل آگروز استفاده می شود. این ماده مانند یک صافی عمل می کند و قطعات ریز DNA را از قطعات درشت تر جدا می کند. وقتی نمونه‌ی DNA آماده شده در مرحله قبل، روی ژل ریخته می شود، تکه های DNA  پشت در منافذ ژل گرفتار می شوند.

 

گام بعدی الکتروفورسیس (Electrophoresis) نامیده می شود. منظور از الکتروفورسیس، حرکت دادن مولکول ها به کمک جریان الکتریکی است. تکه های مولکول DNA بار منفی کوچکی دارند، پس با برقراری جریان الکتریکی به سمت قطب مثبت حرکت می کنند ( مانند آهن رباها که قطب های غیر همنام همدیگر را جذب می کنند). اما گفتیم که ژل مانند یک صافی عمل می کند.

 

مولکول های کوچکتر راحت تر جابجا می شوند و در نتیجه در فاصله کمتری نسبت به قطب مثبت قرار می گیرند. وقتی الکتروفورسیس به پایان برسد، تکه های مولکول DNA با توجه به اندازه شان در طول یک صف مرتب می شوند.

 

سپس یک غشای نازک جاذب بر روی نمونه قرار داده می شود. دلیل این کار آن است که می خواهند در مراحل بعدی، کار راحت تر پیش برود. آیا تا به حال کاغذی را روی میز خیس گذاشته اید؟ این مرحله هم درست مشابه همان است. تکه های DNA به همراه مایع، جذب غشای نازک می شوند. به این ترتیب، نمونه از ژل به روی غشا منتقل می شود.

 

بعد از آن محلولی از قطعات مولکول DNA که با مواد رادیو اکتیو علامت گذاری شده اند بر روی غشا ریخته می شود. این قطعات به تکه های مولکول DNA اول می چسبند و با آن‌ها جفت می شوند. اما این جفت شدن فقط در محل‌هایی صورت می گیرد که رشته‌ی مشخصی از بازها، روی تکه های DNA قرار گرفته باشد، به عبارت دیگر مکان هایی که حاوی کد ژنتیکی خاصی باشند.

 

( اگر متوجه نمی شوید، اینجا را بخوانید)

 

در پایان این مرحله، مواد اضافی که با قطعات DNA جفت نشده اند، شسته می شوند تا بر روی غشا باقی نمانند.

 

در مرحله‌ی بعدی، یک فیلم حساس به اشعه‌ی X، روی این غشا قرار داده می شود. مولکول های DNA نشانه گذاری شده با مواد رادیو اکتیو که در مرحله‌ی قبل به مکان خاصی از تکه های DNA چسبیده اند، تابش می کنند. اشعه‌ی X ساطع شده از این تکه ها فیلم حساس را تحت تأثیر خود قرار می دهد و به این ترتیب تصویری از تکه ها بر روی فیلم ثبت می گردد.

 

سپس این فیلم در محلول ظهور قرار می گیرد. تصویر به دست آمده نشان دهنده‌ی مکان‌هایی است که مولکول های رادیو اکتیو به قطعات DNA چسبیده اند. این تصویر، اثر انگشت DNA نامیده می شود.

 

چنین تصویری دقیقاً مشابه یک اثر انگشت معمولی است. با مقایسه‌ی این تصاویر می توان فهمید که چه نمونه ای متعلق به کیست.

 

 این مراحل در مدل سازی نشان داده شده اند، می توانید خودتان امتحان کنید. ابتدا فایل مورد نظر را دانلود کنید و تمرین مورد نظر را انجام دهید.

تاریخچه علم ژنتیک

سال‌ها پیش از آن که دانشمندان سعی کنند تا با استفاده از قوانین فیزیکی و شیمیایی علت پدیده های زیست شناختی را نیز تبیین کنند، زیست شناسان با مشاهده‌ی گیاهان و جانوران، قلمرو دانش خود را گسترش می‌دادند. در واقع، تحقیقات دو تن از پیشگامان این علم وجود نوعی دستور یا کد وراثتی را بر همگان اثبات کرده بود.

 

چارلز داروین (Charles Darwin) در سال 1859 نظریه تکامل خود را مطرح کرده بود و گرگور مندل (Gregor Mendel) نیز در سال 1865 موفق شده بود قوانین اساسی وراثت را کشف کند؛ اما هیچ یک از آن‌ها نتوانستند دریابند که چه عاملی باعث کنترل و هدایت سیستم های مورد مطالعه‌ی آن‌ها می‌شود. تنها چیزی که آشکار بود این بود که عامل هدایت کننده جایی در درون گیاهان و حیوانات پنهان بود. تا اینکه کشف ارزشمند دانشمند سویسی فردریش میشر (Friedrich Mischer) راه را برای ادامه‌ی تحقیقات گشود. او در سال 1869 در بیمارستانی در آلمان، ماده ای را از محل عفونت که غنی از گلبول های سفید بود، استخراج کرد. میشر این ماده را " نوکلئین " (nuclein) نامید. وی با کمال تعجب متوجه شد که منشاء این ماده فقط می‌تواند از کروموزوم‌ها باشد. بنابراین به حمایت از " نظریه وراثت شیمیایی " پرداخت و اعلام نمود که اطلاعات بیولوژیکی به صورت ترکیبات شیمیایی در سلولها ذخیره می‌شود و از نسلی به نسل بعد منتقل می‌گردد. با اینکه میشر در دورانی زندگی می‌کرد که اصول علم پزشکی - پس از چند هزار سال رکود - در حال دگرگونی اساسی بود، اما عده‌ی بسیار کمی از دانشمندان توانایی و پذیرش این اکتشاف مهم او را داشتند.

در قرن بعد، توماس مورگان (Thomas H.Morgan) زیست شناس آمریکایی، شروع به تحقیق و مطالعه در این مورد نمود. او دریافت که ژن‌ها بر روی محل های خاصی از کروموزم‌ها واقع شده اند و نتیجه گیری کرد که همین ژن‌ها عامل انتقال وراثتی مندل و نیز کلید اصلی تکامل داروینی هستند. نقشه ای که مورگان از ژن های موجود بر روی کروموزم‌ها رسم کرد، سؤالات جدید بسیاری را مطرح نمود. ساختار پایه و خواص شیمیایی ژن‌ها هم چنان نامشخص بود. نحوه عمل آن‌ها نیز هنوز به طور واضح مشخص نشده بود. هیچ کس نمی دانست که تکثیر یا نسخه برداری از ژن‌ها در سلول چگونه صورت می‌گیرد. منشاء بیماری های وراثتی و نقش جهش در این میان چه بود؟ و ... . اما اساسی ترین پرسش در این میان این بود که: ژن‌ها چگونه اطلاعات وراثتی را شامل می‌شوند و چه طور آن‌ها را منتقل می‌کنند؟ و چگونه می‌توانند رشد کلیه سیستم‌های زنده را هدایت نمایند؟

 

این بار مردی از انگلستان معما را حل نمود. در سال 1928، آزمایش های فرد گریفیث (Fred Griffith) بر روی باکتری های مولد ذات الریه به کشفی حیرت انگیز منجر شد. او دو نوع باکتری مختلف را شناسایی کرد. نوع اول که گریفیث آنها را " نوع S " نامید، دارای یک کپسول پلی ساکاریدی در اطراف خود بودند. نوع دوم یا " نوع R " فاقد این کپسول بود. " نوع S " بیماری زا بود، در حالی که " نوع R " خطری در پی نداشت. در واقع، کپسول موجود در اطراف باکتری نوع S باعث مقاومت آن در برابر دستگاه ایمنی بدن می‌شد.

 

گریفیث سپس مخلوطی از باکتری های S - که با حرارت کشته شده بودند - و باکتری های R تهیه کرد و اثر آن را بر روی موش‌ها بررسی نمود. با اینکه انتظار می‌رفت که این مخلوط اثر زیان باری نداشته باشد، مشاهده شد که تمامی موش‌ها به بیماری مبتلا شده و مردند. جالب اینکه در اجساد موش‌ها باکتری های S زنده یافته شد. گریفیث نتیجه گرفت که نوعی انتقال بین دو نوع باکتری صورت گرفته است که سبب شده باکتری های نوع R دچار تغییرات ژنتیکی شوند. امروزه ما این پدیده را " ترانسفورماسیون " می‌نامیم.

 

متأسفانه تحقیقات گریفیث نیز با استقبال معاصران او مواجه نشد و او نتوانست آن‌ها را قانع کند، تا اینکه سرانجام در سال 1941 در یک بمباران هوایی در لندن درگذشت. پنجاه سال بعد، اسوالد اوری (Oswald Avery) در یک موسسه‌ی تحقیقات طبی در نیویورک آزمایش‌های گریفیث را تکرار کرد. اوری و همکارانش مکلئود ( Colin Macleod ) و مک کارتی ( Mc Carty ) به دنبال یافتن عامل ترانسفورماسیون بودند. آنها نشان دادند که اگر مخلوطی از باکتری های S - که با حرارت کشته شده بودند - و باکتری های R و پروتئازها ( آنزیم های تجریه کننده پروتئین‌ها ) تهیه کنیم، باز هم ترانسفورماسیون رخ می‌دهد؛ اما اگر به جای پروتئاز، از دی . ان . آز ( آنزیم تجریه کننده DNA ) استفاده کنیم، دیگر شاهد ترانسفورماسیون نخواهیم بود. و این گونه اثبات شد که عامل اصلی ترانسفورماسیون مولکولهای DNA هستند.

 

با این حال هنوز هم قبول این حقیقت برای جامعه‌ی علمی آن زمان دشوار می‌نمود. بسیاری از دانشمندان می‌پنداشتند که مولکول DNA بسیار ساده تر از آن است که قادر به ذخیره و انتقال حجم عظیم اطلاعات بیولوژیک بدن جاندار باشد. سال‌ها بود که باور عمومی این بود که پروتئین‌ها عامل اصلی این فرآیند هستند، چرا که آن‌ها از بیست نوع اسید آمینه تشکیل می‌شوند و این به معنای آن است که می‌توانند اطلاعات زیادی را به صورت کد در ساختار خود ذخیره سازند. به همین دلیل نتایج کار اوری مورد تردید قرار گرفت و عده ای می‌پنداشتند که DNA مورد آزمایش اوری احتمالا با نوعی ناخالصی پروتئینی که عامل اصلی انتقال اطلاعات بیولوژیک بوده ، آلوده شده است. در سال 1952 گروه دیگری از دانشمندان آزمایش اوری را با DNA کاملاً عاری از مواد پروتئینی تکرار کردند. این آزمایش آخرین تردیدها را نیز برطرف کرد و ثابت شد که این DNA است که حامل اصلی ژن‌ها و اطلاعات بیولوژیک می‌باشد. پس از آن، تلاش همگانی برای کشف ساختار DNA آغاز شد و این گونه بود که دانش زیست شناسی وارد دوران نوینی گردید.

ریگ جن؛ مثلث برمودای ایران

نمک... ماسه... باتلاق و شنزارهای روان! این تمام چیزی است که در ریگ جن خواهید دید؛ مثلث برمودای ایران که جز تپه های سوزان هدیه دیگری برای مسافرانش ندارد. در این منطقه کویری تا چشم کار می کند تپه های شنی است و باتلاق های نمک که مهم ترین بهانه تبدیل ریگ جن به یکی از صعب العبور ترین نواحی جهان به شمار می رود. ریگ جن آنقدر صعب العبور است که از دوران های قدیم هیچ کاروان و مسافری از آن عبور نمی کرده است. بنابراین طبیعی است که هیچ روستایی هم در آن وجود نداشته باشد.

این منطقه در باورهای مردم بومی کویر، سرزمین نفرین شده است! آنها معتقدند که ارواح پلید و شیاطین در این سرزمین اسرارآمیز حکومت می کنند و به همین دلیل هر که پا به ریگ جن می گذارد بلعیده می شود و دیگر باز نمی گردد! اما شاید برایتان عجیب باشد که بدانید این روزها ریگ جن تبدیل به یکی از مقاصد گردشگری ایران شده است و تورهای گردشگری هر از چندگاهی به این کویر سوزان و بلعنده سفر می کنند. سرزمینی که اگر پایتان را به آنجا بگذارید خواهید دید که در شعاع پنجاه کیلومتری تان هیچ جنبده‌ای وجود ندارد!

 

بومیان منطقه تصور می کنند که ارواح پلید و شیاطین در ریگ جن 

سکونت دارند و به همین دلیل هر که پا به این سرزمین اسرار آمیز می گذارد بلعیده می شود و دیگر باز نمی گردد

ریگ جن روی نقشه

ریگ جن در جنوب غربی و غرب دشت کویر، جنوب سمنان، جنوب شرق گرمسار، شرق منطقه حفاظت شده کویر ، شمال انارک و غرب جندق قرار گرفته است! این دقیق ترین آدرسی است که می توان از کویری داد که نام و نشانش در بیشتر نقشه ها وجود ندارد. انگار که ریگ جن سرزمین حذف شده دوران باشد!

 ریگ جن با وسعتی حدود 3800 کیلومتر مربع در حاشیه شمالی به کوه گوگردی ، در حاشیه شرقی به جاده دامغان - جندق و در قسمت شمالی به رودخانه ورگی که از ارتفاعات کوه گوگردی سر چشمه می گیرد می رسد. این رود در جهت شمال غربی-جنوب شرقی وارد ریگ جن می شود و کوه ملا هادی در حاشیه جنوبی این ریگ زار قرار دارد.

اما بهترین مسیر دستیابی به آن هم بخش شمال شرق پارک ملی کویر است، یعنی جاده سنگفرش ملک آباد که البته داخل مرز پارک بوده و زیر نظر سازمان حفاظت محیط زیست اداره می شود. بنابراین باید از این سازمان مجوز عبور بگیرید. مسیر دیگر ورود به ریگ جن هم جندق است که دقیقا در نقطه مقابل، یعنی در بخش شرقی پارک قرار دارد.

اگر از تهران عازم ریگ جن می شوید باید بدانید که فاصله تهران تا جندق حدود 170 کیلومتر است. بنابراین برای این سفر باید طوری برنامه ریزی کنید که برای رفت و برگشت سوخت و تجهیزات کافی داشته باشید.

 

سفر به سرزمین ارواح خبیثه!

در سال 1900 سون هدین، كویرنورد بزرگ سوئدی اولین گردشگری بود که سعی کرد ریگ جن را تجربه کند. اما به دلیل باتلاقی بودن منطقه از تصمیمش منصرف شد و در نتیجه از حاشیه غربی و جنوبی ریگ جن عبور كرد. او بعدها در كتاب كویرهای ایران به طور مفصل درباره این کویر نوشت تا در سال 1930 آلفرنس گابریل" با ایده گرفتن از این کتاب راهی ایران شود و عزم ریگ جن کند. اما او هم تنها از عرض ریگ جن گذشت. تا این که در سال 1380 اولین کویر نورد ایرانی راهی ریگ جن شد تا طلسم این سرزمین اسرارآمیز را بشکند. دكتر علی پارسا، برای اولین سفر با شتر راهی ریگ جن شد اما سفرهای بعدیش را با تیم های کویرنوردی انجام داد.

اگر شما هم کافی انگیزه پیدا کرده اید که جانتان را کف دستتان بگیرید و راهی ریگ جن شوید، بهتر است خیلی عجله نکنید. توصیه می کنیم که اگر تا به حال کویر نوردی نکرده اید و به اصطلاح حرفه ای نیستید، برای اولین تجربه به هیچ عنوان ریگ جن را انتخاب نکنید که در این صورت رفتنتان با خودتان است و برگشتنتان با خدا! حتی اگر هم حرفه ای هستید حتماً گروهی به این منطقه سفر کنید. آن هم با یک تیم کاملا حرفه ای.

بهترین وسیله برای عبور از این کویر‌، جیپ های سبك وزن است و البته فراموش نکنید که هر لحظه امکان گیر کردن و گم شدنتان در کویر ریگ جن وجود دارد. پس باید از همه امكان های نرم افزاری مثل نقشه های دقیق و GPS که قبلا تمام مسیرهای عبور از ریگ جن روی آن مشخص شده است استفاده کنید. این البته به جز اطلاع مسئولان محلی از سفر تیم کویرگردی به ریگ جن است که باید کاملا در جریان نقشه سفر تیم باشند.

سفر به ریگ جن معمولا با بیشترین حد تجهیزات صورت می گیرد. در این سفر معمولا برای مدت حداقل 15 روز غذا‌، آب، بنزین و وسایل فنی ماشین ها برداشته می شود تا در صورت بروز مشکل حفظ گروه امکان پذیر باشد.

اما ریگ جن غیر از احتمال گم شدن و ته کشیدن منابع حیاتی، بهانه های دیگری هم برای بلعیدن مسافرانش دارد! فرو رفتن در گل و لجن و باتلاق های ریگ جن یكی از مهم ترین خطرهایی است که هر مسافری را تهدید می کند.

 

ريگ جن به روايت تصوير

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جديدترين ماهواره ايران در مدار زمين قرار گرفت

جديدترين ماهواره ايران در مدار زمين قرار گرفت

خبرگزاري فارس: جديدترين ماهواره ايراني با نام «رصد» پس از پرتاب موفق در مدار زمين قرار گرفت.

به گزارش خبرنگار دفاعي خبرگزاري فارس، همزمان با ميلاد مبارك حضرت اميرالمؤمنين علي(ع) جديدترين ماهواره ساخت جمهوري اسلامي ايران با نام «رصد» با حضور سردار وحيدي وزير دفاع پرتاب و با موفقيت در مدار زمين قرار گرفت.

«رصد» نخستين ماهواره تصويربرداري ايران است كه تمامي مراحل طراحي، ساخت، تجميع، تست و آماده‌سازي آن در داخل كشور و توسط متخصصان داخلي صورت گرفته است.

برقراري ارتباط با ايستگاههاي زميني، تصويربرداري از زمين و ارسال تصاوير به همراه اطلاعات تله‌متري به ايستگاههاي زميني از مهم‌ترين مأموريت‌هاي اين ماهواره است.

توپولوژي و ساخت ايستگاههاي زميني ماهواره «رصد» به گونه‌اي طراحي شده كه بيشترين دسترسي به ماهواره را جهت دريافت اطلاعات و ارسال فرامين كنترل فراهم كرده باشد.

بنابراين گزارش، اغلب زيرسيستم‌هاي اصلي يك ماهواره بزرگ در «رصد»‌ وجود دارد كه از جمله مي‌توان به سيستم‌هاي مديريت توان، پانل‌هاي خورشيدي، كنترل وضعيت، محموله اكتيكي، GPS، مديريت داده و فرامين روي بورد، گيرنده و فرستنده روي بورد، فرستنده رنجينگ و كنترل دما اشاره كرد.

«رصد» 15.3 كيلوگرم وزن داشته كه براي تزريق در مداري با ارتفاع 260 كيلومتر طراحي شده است و مي‌تواند در هر شبانه روز 15 بار به دور زمين بچرخد.

اين دومين ماهواره‌بر ساخت جمهوري اسلامي ايران است كه مي‌تواند ميكروماهواره 16 كيلوگرمي را تا ارتفاع 260 كيلومتر از سطح زمين قرار دهد. طول اين ماهواره‌بر 22 متر، قطر آن 1.25 و وزن آن 26 تن است.

عمليات موتور اول و جدايش آن، عمليات موتور دوم، خارج شدن ماهواره‌بر از جو غليظ، رسيدن به سرعت مورد نظر و جدايش ماهواره از ماهواره‌بر مراحلي بودند كه در اين پرتاب با موفقيت انجام شد.

چهار ايستگاه رهگيري، ايستگاه تله‌متري و فرمان، ايستگاه مركزي و ايستگاه متحرك، عمليات رهگيري، هدايت و كنترل و دريافت اطلاعات از ماهواره‌بر سفير «رصد» را برعهده دارند كه آنها نيز با موفقيت عمليات خود را انجام داده و به كار خود ادامه مي‌دهند.

فرآیند شکافت در راکتور اتمی

هنگامی که یک نوترون به هسته اورانیوم 235 برخورد کند، آن را به دو هسته ( محصولات شکافت، که عموماً یکی از آن ها وزن بیشتری دارد. ) و تعداد زیادی نوترون ( نوترون های شکافت ) تبدیل می کند. محصولات شکافت مانند ¹⁴⁴Ba  و ⁸⁹Kr، سرعت بسیار بالایی دارند و انرژی جنبشی خود را در محیط اطراف پخش می کنند. 80 درصد انرژی آزاد شده در فرایند شکافت توسط محصولات شکافت که عموماً عناصر رادیواکتیو بوده و سریع واپاشی می شوند، جذب می شود.

نوترون های شکافت نیز با برخورد به هسته اورانیوم بعدی، می توانند موجب رخ دادن شکافت های بعدی، یکی پس از دیگری شوند و به این ترتیب، واکنش های زنجیره ای شکافت شکل می گیرند.

برخی از این نوترون ها توسط ایزوتوپ اورانیوم 238، که به آسانی شکافته نمی شود، جذب می شوند و آن را به اورانیوم 239 تبدیل می کنند. اورانیوم 239 پس از دو بار واپاشی بتا تبدیل به ²³⁹Pu می شود. ²³⁹Pu یک ایزوتوپ رادیواکتیو آلفاست که طول عمر زیادی دارد.

 

235u

شکافت هسته ایزوتوپ های سنگینی مانند اورانیوم 235 و یا ²³⁹Pu، انرژی زیادی در رآکتورهای هسته ای به وجود می آورد. از برخورد نوترون با یک هسته سنگین در فرآیند شکافت، در هسته ( محصولات شکافت ) و تعداد زیادی نوترون به وجود می آید. محصولات شکافت و نوترون ها، سرعت بالایی دارند که این انرژی به سرعت موجب تولید گرما می شود. 

 

144Ba

یکی از محتمل ترین محصولات شکافت اورانیوم 235، باریوم 144 است ( ¹⁴⁴Ba) از آن جا که باریوم 144 ناپایدار بوده و نسبت به ⁸⁹rK سبک تر است. از طریق انتشار الکترون و آنتی نوترون ها. به سرعت واپاشی بتا کرده و به ¹⁴⁴Nd (نئودیمیوم ) تبدیل می شود.

89Kr:

پسماندها یا محصولات شکافت که جرمی بین 90 تا 140 دارند. عموماً رادیواکتیو هستند. واپاشی محصولات شکافت، زنجیره ای از دیگر ایزوتوپ های رادیواکتیو می سازد. به دلیل فرایند است که حتی پس از متوقف شدن واکنش زنجیره ای در رآکتور، همچنان مقداری گرما در رآکتور تولید می شود.

 

تولید پلوتونیوم (Pu)

ایزوتوپ های پلوتونیوم مثل ²³⁹Pu، در هنگام جذب نوترون توسط اورانیوم 238 در سوخت رآکتورها تولید می شوند. هسته اورانیوم پس از دوبار واپاشی بتا تبدیل به پلوتونیوم می شود. بخشی از 239Pu مستقیماً به وسیله نوترون ها در هسته شکافته می شود و مابقی در سوخت رآکتور به صورت پسماند باقی می ماند و از آن جا که این پسماندها نامطلوب و خطرناک هستند، باید برای مدت زمان طولانی از محیط بیولوژیکی دور بماننند و محافظت شوند از آن جا که پلوتونیوم 239، می تواند به راحتی منفجر شود، باید کنترل و مراقبت دقیقی از آن به عمل آید: هم چنین رآکتورهای جدید قادرند از این ماده به عنوان سوخت استفاده کنند و این می تواند یک روش مناسب برای استفاده از اورانیوم 238 به ظاهر بی فایده به عنوان منبع انرژی در دراز مدت باشد

شکافت

شکافت چیست؟

واپاشی:

فرض کنید یک هسته  سنگین بتواند به دو هسته متوسط تبدیل شود: جرم هسته سنگین بیشتر از مجموع جرم های دو هسته حاصل است.

 

یک هسته سنگین مثل اورانیوم به دو بخش تقسیم می شود: هسته سنگین جرم بیشتری دارد.

 

این اختلاف جرم مطابق معادله اینشتین تبدیل به انرژی ای از حدود MeV 200  ( مگا الکترون ولت ) می شود. انرژی آزاد شده در این حالت در مقایسه با انرژی آزاد شده در واکنش های شیمیایی 10 تا 100 میلیون برابر بیشتر است!

شکافت اورانیوم 236:

کلید ایجاد واپاشی اورانیوم 235 سنگین، وجود نوترون است که در سال 1932 توسط چادویک (Chadwick) کشف شد.

نوترون، از آن جا که دارای بار خنثی است، هنگام نزدیک شدن به هسته، دفع نمی شود و تشکیل یک هسته سنگین تر را می دهد. هنگامی که یک نوترون، در هسته اورانیوم 235 گیر بیفتد، اورانیوم 236 به وجود می آید. هسته اورانیوم 236 ناپایدار بوده، و به سرعت به دو بخش تقسیم شده و شکافت رخ می دهد. اولین آزمایش شکافت هسته در سال 1938 در برلین توسط اتو هان (Otto Hahn) و همکارانش طراحی شد. توضیح و بررسی وسیع تر پدیده شکافت، حاصل کار مشترک لیز متینر (Leise Meitner) و اتو فریش (Otto Frisch) بود.

 

 

اولین رآکتور: فرمی – سال 1942

با این که  200(MeV) ( مگا الکترون ولت )، انرژی زیادی برای به وجود آمدن شکافت هسته ای است، خوب است بدانیم انرژی مورد نیاز برای تعداد زیادی شکافت، در سطح ماکروسکوپی، چندین برابر این مقدار است. دلیل این امر، به وجود آمدن 2 یا 3 نوترون در شکافت اورانیوم 236 است ( که در سال 1939 کشف شد ). این نوترون ها قادرند دوباره در شکافت شرکت کنند و به این ترتیب واکنش های زنجیره ای صورت می گیرد. اولین واکنش زنجیره ای – یا به عبارت بهتر، اولین رآکتور – در سال 1942 در آزمایش مشهور فرمی (Fermi) محقق شد.

 

 

 

 

بمب اتمی و انرژی هسته ای

آزمایش فرمی در سال 1942 نشان داد در صورتی که واکنش های زنجیره ای تحت شرایط کنترل

 شده صورت نگیرند، انفجار رخ خواهد داد. اولین بمب اتمی در سال 1945 ساخته شد و اولین رآکتور هسته ای برای تولید انرژی در سال 1954 در اوبنیسک (Obninsk) روسیه، شروع به کار کرد.

 

هم جوشی

 

هم جوشی چیست؟

عملی که طی آن هسته های سبک برای تشکیل یک هسته سنگین تر به هم برخورد می کنند و طی این برخورد انرژی آزاد می شود، هم جوشی نامیده می شود. مثلاً وقتی یک هسته دوتریوم و یک هسته تریتیوم به هم برخورد کنند، یک هسته هلیوم و یک نوترون تشکیل می شود. تفاوت میان جرم حالت اولیه و جرم حالت نهایی تبدیل به انرژی می شود. و انرژی ای در حدودmev 6/17 آزاد می کند. چیزی در حدودmev 5/3 ( مگا الکترون ولت ) به ازای هر کدام از هسته های شرکت کننده که تقریباً معادل با 4% جرم هسته است. دو هسته ای که در فرآیند هم جوشی شرکت می کنند باید با سرعت خیلی زیاد به هم برخورد کنند که بتوانند بر نیروی دافعه ای که بارهای مثبت دو هسته به هم وارد می کنند، غلبه کنند.

همجوشی منشأ انرژی خورشید و ستاره های دیگر است.

انرژی گرانشی

در قرن نوزدهم منشاء انرژی خورشید و دیگر ستاره ها را نیروی گرانش می دانستند: ماده ای که به خورشید سقوط می کند؛ انرژی آزاد می کند و با خورشید در تعامل است. محاسبات بعدی نشان داد که با این فرض، عمر خورشید باید در حدود 30 میلیون سال باشد. یعنی حتی خیلی کمتر از عمر زمین است ( عمر فعلی خورشید 6/4 میلیارد سال تخمین زده می شود. ) و این فرضیه باطل شد. البته، گرانش در زمان های بعدی و خیلی دورتر از عمر ستاره ها نقش مهمی ایفا می کند.

همجوشی در  خورشید

گازهای درون خورشید ( هیدروژن و هلیوم ) و دیگر ستارگان برای ایجاد برخورد و همجوشی به قدر کافی داغ هستند. دما، در مرکز خورشید در حدود 15 میلیون درجه سانتی گراد است. این دما حتی از دمای دیگر ستاره ها هم بیشتر است.

پروتون ها ( هسته های هیدروژن ) با انجام واکنش های همپاشی و براساس چرخه ی پروتون – پروتون یا چرخه کربن ( که در سال 1939 توسط هانس بت معرفی شد ) هسته های هلیوم تولید می کنند. بت در سال 1967 موفق به دریافت جایزه ی نوبل شد.

نوترینو + پوزتیرون + دوتریوم → هیدروژن + هیدروژن : قدم اول

فوتون + هلیوم -3  → هیدروژن + دوتریوم : قدم دوم

هیدروژن + هیدروژن + هلیوم -4  → هلیوم -3 + هلیوم -3 : قدم سوم

 

انفجار ابرنواختر

هنگامی که هیدروژن در ستاره ای برانگیخته می شود، ستاره براساس گرانش، برهم کنش انجام می دهد. دما بالا می رود و هلیوم شروع به همجوشی می کند. این عمل آن قدر ادامه می یابد تا آهن تولید شود. چنان چه جرم به قدر کافی زیاد باشد گرانش آنقدر قوی خواهد بود که ستاره سقوط کرده و تبدیل به ستاره نوترونی می شود ( یعنی تمام پروتون ها به نوترون تبدیل می شوند ) و یا سیاهچاله خواهد شد. این فروپاشی ابرنواختر نامیده می شود. فولر و چاندراسخار (chandrasekhar) برای کار روی تحول ستارگان و شکل گیری عناصر در عالم در سال 1983 موفق به دریافت جایزه نوبل شدند.

 

منبع انرژی در آینده

همجوشی هسته های سبک انرژی بیشتری از شکافت هسته ای تولید می کند. انرژی به دست آمده از همجوشی 1 لیتر دوتریوم معادل با انرژی ای است که 600 لیتر گازوئیل تولید می کند. یک روش قابل تأمل برای تولید انرژِی، استفاده از هیدروژن های سنگین و دوتریوم موجود در آب دریاهاست. در آب های آزاد جهان 15 کیلوگرم دوتریوم موجود است. امروزه تحقیقات فراوانی در زمینه رسیدن به دماهای بسیار بالا برای ایجاد همجوشی در رآکتورها انجام می شود.

انرژی درون ماده

درس های ساده ای از تبدیل انرژی به جرم و برعکس!

 

معرفی:

 

معادله مشهور اینشتین E=mc² نشان می دهد که انرژی (E) معادل با ماده ( جرم m ) است. این نشان می دهد که مفهوم "ماده" در واقع با آن چه از تجربیات روزمره ما با اجسام جرم دار حاصل می شود، متفاوت است. در واقع انرژی می تواند به ذرات جرم دار تبدیل شود و همین طور جرم نیز می تواند به شکل انرژی درآید. انرژی، در تمام صورت های متفاوتش یک

مفهوم پایه در فیزیک به شمار می آید.

 

عناصر تشکیل دهنده ی هسته

---

جرم هسته هلیم کوچک تر از جمع جرم عناصر تشکیل دهنده آن است.

هسته هلیم دو پروتون و دو نوترون دارد.

هسته:

هسته اتم از پرتون ( با بار 1+) و نوترون (بدون بار) تشکیل شده است. به عنوان مثال یک هسته سبک مثل هلیم (He) از دو پرتون و دو نوترون تشکیل می شود و یا هسته ای با سایز متوسط مثل قلع از 50 پروتون و 69 نوترون درست شده است. اورانیوم هسته سنگینی با 92 پروتون است. یکی از هسته های دیگر اورانیوم 143 نوترون دارد. این هسته به اورانیوم 235 (²³⁵u) معروف است که 235 مجموع پروتون ها و نوترون های هسته است.

 

انرژی بستگی:

یکی از خواص عجیب و غریب و خیلی مهم هسته این است که جرم آن دقیقاً برابر با جمع جرم پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده آن نیست. بلکه اندکی کمتر است! این به دلیل نیروی قوی هسته ایست که نوترون ها و پروتون ها را در کنار هم نگه می دارد و انرژی ای برای جدا کردن آن ها از هم لازم است.

این انرژی، انرژی بستگی نامیده می شود و با فرمول E=mc² جرم کمتری از جمع جرم های عناصر تشکیل دهنده هسته به آن نسبت می دهد. همین طور این انرژی دلیل پایداری بسیاری از هسته هاست. انرژی بستگی هر پروتون یا نوترون برای هسته های متوسط بزرگ تر و برای هسته های خیلی سنگین و یا خیلی سبک کوچک تر است.

کشف کوارک های بیشتر

 

یک افسون گم شده

گلاشو، سلام و دین برگ برای تمام ذرات کشف شده یک مدل استاندارد درست کردند. یک تئوری که ذرات بنیادی و نیرو را توصیف می کرد. مدل استاندارد برای ذرات با سه کوارک است که از کوارک های up با بار 3/2 و کوارک down با بار 3/1- و کوارک strange ( یا شگفت ) درست شده اند کوارک شگفت ذره ای بود که ویژگی های شگفت انگیزی داشت.

 

هر چند که سه کوارک کافی نبود. ساختار ریاضی در پشت پرده ی مدل استاندارد وجود یک کوارک چهارم ای را بیان می کرد، کوارک افسون یا charm سپس در 1974 یک آزمایش توسط ساموئل تینگ و آزمایش دیگری توسط بروتون ریشتر ( برندگان جایزه ی نوبل 1976 ) انجام شد، آنان ذره ای را یافتند که کوارک گمشده ی افسون ( charm ) را در خود داشت. یکی آن را J نامید و دیگری آن را Psi نامید. اکنون این ذره با نام J/psi شناخته شده بود.

samuel Chao Chung ting

Burton  Richer

کوارک های بیشتر چه؟

با کشف کوارک افسون ( charm ) فیزیک دانان به وجود تعداد کوارک های بیشتر از چهار فکر کردند. به زودی سوال آن ها پاسخ داده شد. هنگامی که لئون لدرمن ( برنده ی جایزه نوبل 1988 فیزیک ) و گروهش و پنجمین کوارک را کشف کردند. آن را کوارک ته ( b ) ( bottom ) نامیدند. که باری برابر -1/3 داشت فیزیک دانان انتظار داشتند که یک کوارک هم ارز آن یعنی کوارک بالا ( + یا top ) به زودی کشف شود بدبختانه تا 20 سال بعد این کوارک کشف ناشده باقی ماند.

 

 The 1988 Nobel Prize in Physics, Leon M. Lederman

 

توان مدل استاندارد

استفاده از ساختار ریاضی و پایه ای مدل استاندارد به همراه نتایج تعدادی آزمایش جنجالی این امکان را فراهم کرده بود تا جرم کوارک top تخمین زده شود.

 

با استفاده از تکنیک های محاسبه ای جدیدی که جارد هوفت و مارتین ولت بن برندگان جایزه ی نوبل 1999 در آن پیش رو بودند. فیزیک دان ها توانستند تأثیر غیر مستقیم کوارک top را بر اندازه گیری ها محاسبه کنند. آن ها مشخص کردند که کوارک top باید خیلی سنگین تر از کوارک های دیگر باشد، در حدود 20 تا 30 برابر سنگین تر از کوارک سنگین قبل از خود یعنی کوارک b .

 

این روش ها نه تنها برای تخمین جرم کوارک مفید بودند. بلکه کلیدی برای فهم ساختار کامل و ترکیب مدل استاندارد بودند. قبل از کار هوفت و ولت من در 1971 – 1972 هیچ کس فراتر از یک جواب تخمینی و تقریبی نمی توانست پیش بینی های مدل استاندارد را محاسبه کند.

برندگان جایزه ی نوبل 1999

Martinus J.G.  Veltman

t Hooft

کشف کوارک top

 

تا قبل از دهه ی 1990 هیچ آزمایشی نبود که دقت لازم را برای تعیین جرم کوارک top

داشته باشد در 1995 دو آزمایش در فرمی لب ( ermilab ) وجود کوارک top را بیان کردند و نشان دادند که چرا یافتن آن سخت بوده است. کوارک top جرم خیلی زیاد 175Gev/C2 را دارد. یعنی بیش از 30 برابر جرم کوارک b ( ته ) به این دلیل خیلی طول کشید تا شناخته شود چون فیزیکدانها به یک شتابدهنده ی بسیار قوی تر از شتاب دهنده ی پیشین نیاز داشتند تا آن را کشف کنند.

 

آیا کوارک ها بنیادین هستند

با استفاده از نسل جدید شتابدهنده ها ما ساختار یا ترکیبی درونی برای کوارک ها یافت نشده است. یک راه، برخورد پروتون های بسیار پر انرژی است. اگر کوارک ها یک ریز ساختار درونی داشته باشند. ذرات حاصل معمولاً باید با زاویه های بزرگتری پراکنده شوند.

 

مطالعه ی این برخورد ثابت می کند که کوارک ها برای ساختار ریز، در حدود 19-10 متر ذراتی بنیادی هستند. اما کسی نمی داند که کوارک ها بنیادین هستند یا نه و تنها این برخوردهنده های بسیار قوی تر آینده هستند که می توانند پرده از این راز طبیعت بردارند.

 

 

واپاشی کوارک

درباره ی بار کسری چه؟

چند سال بعد. دیگر فیزیک دانان تجربی نوترینو را با پروتون ها و نوترون ها پراکنده کردند و نرخ برخورد را اندازه گرفتند. نوترینوها ذرات بی نهایت سبکی هستد که بر هم کنش های ضعیف دارند اما بر هم کنش های الکترومغناطیسی ندارند. مقایسه ی نرخ نوترینوهای پراکنده شده در برابر نرخ الکترون های پراکنده شده، مدرک بزرگی برای وجود بار کسری بود.

نوترون های پراکنده شده

الکترون پراکنده شده

 واپاشی کوارک

در برنامه های علمی، ایده های قدیمی و اولیه به ندرت کاملاً جایگزیده می شوند. اما دامنه ی کاربرد آن ها محدودتر می شود؛ همانند ایده ی واپاشی نوترون.

یک نوترون می تواند به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترنیو واپاشی کند. اما هنگامی که فیزیکدان ها تعیین کردند که نوترون از یک کوارک up و دو کوارک down ساخته شده است، فهمیدند که نوترون به خودی خود واپاشی نمی کند.

 پس کوارک ها روش واقعی بر هم کنش ذرات دیده شد را به خوبی توضیح می دهند. 

 

 

واپاشی نوترون بتا هنگامی است که یک نوترون ( udd ) به یک پروتون ( uud ) و یک الکترون و یک نوترینو وا می پاشد.

نوترون یک ذره ی بدون بار است که از 2 کوارک down و یک کوارک up تشکیل شده است.

 

 

 

 

هنگامی که واپاشی اتفاق می افتد یکی از کوارک های down به یک کوارک up تشکیل تبدیل می شود.

کوارک down بار 3/1- را دارد و کوارک up بار 3/2+ را دارد. و از آن جایی که ما بقای بار داریم. پس این تنها زمانی اتفاق می افتد که یک ذره ی مجازی w- با بار 1- آزاد شود.

 

حال نوترون در این جا به یک پروتون تبدیل شده است. ذره ی مجازی w- که از پروتون بیرون آمده است به یک الکترون و یک آنتی نوترینو تبدیل می شود

 

 

 

سرانجام، پروتون، الکترون و آنتی نوترینو همگی از هم دور می شوند. در واقعیت این فرآیند در یک میلیارد میلیارد نیم ثانیه انجام می شود.

کوارک

دیگر ویژگی ها ... شگفتی

بعد ها، یک ویژگی مهم دیگر نیز کشف شد. در برخوردهای با انرژی بالا برای ذره هایی با نام مزون k تولید می شدند. اما چیز عجیبی درباره آن ها وجود داشت.

دانشمندان مشاهده کردند که این ذرات طول عمر طولانی ای دارند، انگار قوانین ناشناخته ای از واپاشی آن ها به ذرات دیگر جلوگیری می کند.

 

موری گلمان برنده جایزه نوبل 1969 فرض کرد که k مزون ها و بعضی ذرات دیگر یک ویژگی جدید دارند و آن را " شگفتی " نامید. سپس او این ویژگی ها را شناسایی و به صورت ریاضی بررسی و طبقه بندی کرد.

 

اما این کار کامل به نظر نمی رسید. طرح ها و طبقه بندی های او وجود یک ذره کشف نشده را پیش بینی می کرد. ( امگا )، فیزیک دان ها خیلی زود ذره ای با جرم پیش بینی شده توسط موری گلمان را یافتند که این دلالت بر این داشت که طبقه بندهای او درست بوده است.

 

 

درون کوارک

 

با وجود الگو بندی های گلمان و طبقه بندی ذرات به دسته هایی همچون باریون و مزون، فیزیک دانان هنوز با صدها ذره ی بنیادین درگیر بودند.

برای فرار از این باغ وحش ذرات، گام بعدی این بود که تحقیق کنند چرا این الگوها توانستند تمام باریون ها و مزون ها را توصیف و طبقه بندی کنند. پس تمام باریون ها و مزون ها از ذرات ( مشترک ) دیگری تشکیل شده اند. این ذرات را کوارک نامیدند.

 

مری گلمان و جرج زویگ فرض کردند که باریون ها ذراتی هستند که از سه کوارک تشکیل شده اند ( qqq ) و مزون ها ذراتی اند که از یک کوارک و یک آنتی کوارک q و q ساخته شده اند.

( یک کوارک up با علامت u و یک کوارک down با علامت d نشان داده می شود. این بالا و پایین تنها نام کوارک اند و دلالت بر بالا و پایین بودن آن ها ندارند. )

 

بارهای کسری و کوارک های دیده نشده

به نظر نمی رسید که کوارک ها جواب کامل معما باشند. گلمان و زویگ یک مشکل بزرگ ایده خود را شناسایی کردند. آن ها برای هماهنگی با بارهای شناخته شده مزون ها و باریون ها، مجبور بودند که به کوارک ها بار کسری نسبت بدهند! چیزی که هرگز تا آن زمان دیده نشده بود.

گلمان و زویگ برای پذیرفتنی شدن نظریه شان با دو مشکل جدی رو به رو بودند:

کوارک ها هنوز مشاهده نشده بودند و کسی نتوانسته بود توضیح بدهد که چرا آن ها تا به حال مشاهده نشده اند.

همه جور ترکیبی از کوارک ها ممکن به نظر می رسید و به دست می آمد اما دیده نمی شد.

بار رنگی

بنابراین یکی مجبور بود که توضیح دهد که چرا همیشه ترکیب هایی از کوارک ها دیده می شوند که در کل، بار درست دارند و چرا ترکیب هایی مانند q و qq و q¯qq دیده نمی شوند. ( q¯ نماد پادکوارک یا آنتی کوارک است )

گلمان و بقیه اندیشیدند که جواب در میان نیروهای بین کوارک ها پنهان است. این نیرو را نیروی قوی نامیدند و بارهای جدیدی که این نیرو را حس می کردند، بار رنگی نامیدند؛ هرچند که این اصطلاح هیچ ربطی به رنگ های طبیعی ندارد.

آن ها فرض کردند که کوارک ها می توانند سه بار رنگی داشته باشند. به این دلیل این بار را رنگ نامیدند که بعضی ترکیب های معین کوارک ها خنثی اند درست مثل رنگهای واقعی که از ترکیب سه رنگ (سبز، آبی، قرمز ) رنگ سفید که خنثی است، به دست می آید. 

همان طور که ترکیب آبی و قرمز، بنفش می دهد، ترکیب بعضی رنگ ها هم سفید به دست می دهد. مثلا ترکیب قرمز، سبز و آبی

 

حالا می توانستند بگویند تنها ترکیباتی از کوارک ها وجود دارند که از لحاظ رنگی خنثی باشند. پس فقط ترکیبهای  qq و qqq  در طبیعت دیده می شوند.

 

کوارک ها تعریف شدند!

 

ماهیت نیروی قوی کاملا با نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی تفاوت دارد. در این دو نیرو هرچه فاصله بین دو جسم یا دو بار بیشتر باشد، نیرو ضعیف تر می شود. اما در مورد نیروی قوی، فاصله اهمیتی ندارد و شدت نیرو یکسان می ماند. خب پس وقتی کوارک ها به شدت ضربه می خورند، چه می شود؟

 

 

جرم، ذره ها و کوارک ها

وجود کوارک ها، قانون برابری جرم و انرژی انیشتین را اثبات می کند.

ذره ای را در نظر بگیرید که از چندین کوارک تشکیل شده است، جرم ذره تنها شامل جرم کوارک ها نیست. بلکه جرم کل ذره برابر برابر جرم کوارک ها و انرژی جنبشی آن هاست.

 

در یک پروتون، جرم سه کوارک موجود فقط 1.3 درصد از جرم کل پروتون را تشکیل می دهد. این نشان دهنده ی این است که جرم هسته کمتر از جرم اجزاء اصلی اش می باشد.

با وجود این که کوارک ها در پروتون و نوترون، انرژی جنبشی زیادی دارند، این سؤال مطرح می شود که چگونه آن ها در هسته مقیدند؟  و چرا این ذرات نمی توانند از هسته خارج شوند؟ نیروی قوی (غیر گرانشی)، کوارک ها را در پروتون مقید نگه می دارد. پس برای آزاد کردن کوارک از پروتون باید کار زیادی را انجام دهیم. می توان نتیجه گرفت که یک کوارک هرگز نمی تواند آزاد باشد.

این یک انقلاب فکری بود!

 

حامل نیروی قوی

با کشف نیروی قوی سرانجام کسی توانست توضیح دهید که چرا هسته ی یک اتم وا نمی پاسد. هایدکی یوکاوا ( برنده ی جایزه نوبل 1949 ) فرض کرد که نیروی قوی بین نوترونها و پروتونها در هسته ها از طریق مبادله ی مزون پای اتفاق می افتد. هر چند در دیدگاه جدید این یک مسئله است. نیروی قوی تنها از طریق رنگ بر ذرات اثر می گذارد. و پروتون ها و نوترون ها نیز رنگ خنثی دارند.

 

فیزیکدان ها فهمیدند که باریون ها و مزون ها همانند نوترون ها و پروتون ها در هسته هم پوشانی دارند. و از آن جا که رنگ پروتون و نوترون خنثی است با یکدیگر واکنش نمی دهند. نیروی قوی از تبادل گلوئون ( چسب ) بین کوارک ها در پروتون ها و نوترون های مختلف به وجود می آید.

 

این فرآیند هسته را به هم چسبیده نگاه می دارد. این فرآیند هم ارز با این است که اتم ها در مولکول کنار هم قرار می گیرند.

 

 

کوارک ها می توانند دیده شوند؟

از آن جا که کوارک ها تنها یافت نمی شوند. فیزیک دان ها یک راه را برای دیدن کوارک های درون هسته پیدا کردند. آزمایش جروم – I – فرایند من ، هنری – W – کندل و ریچار E تیلور ( برندگان جایزه نوبل 1990 ) خیلی به آزمایش رادفورد ( برنده ی جایزه ی نوبل شیمی 1908 ) شبیه بود.

 هر چند این بار هدف پروتون ها و نوترون ها بودند و پرتوی ورودی جریانی از الکترون های شتابدار بود که انرژی آن ها هزار برابر بیشتر از آزمایش رادفورد با ذرات آلفا بود. زاویه ذرات پراکنده شده در این جا نشان می داد که مرحله ی جدیدی از ماده به دست آمده است. ژرفای پروتون و نوترون دیده می شد و آن ها شواهدی فیزیکی از کوارک به دست آوردند.

دیدن پروتون، دانشمندان الکترون ها را شتاب می دهند تا به انرژی های زیاد برسند. سپس با استفاده از آن ها کوارک ها را در پروتون می بینند.

 

 

 

 

پروتون ها یک ساختار درونی دارند ( ترکیبی از کوارک ها ) پس الکترونهایی که به آن برخورد می کنند با یک زاویه ی بزرگ پراکنده می شوند.

 

اگر پروتون یک ذره ی بنیادی و بدون ساختار ترکیبی درونی بود. هنگامی که الکترونها به آن می خوردند باید با یک زاویه ی کمتری پراکنده می شدند.

 

 

 

اسپین: یک ویژگی ذرات

با استفاده از اتاقک حباب و ابزارهای دیگر، چند صد ذره جدید کشف شدند. البته سه شکل بنیادین ماده (الکترون، پروتون و نوترون) قابل پیش بینی بودند، اما این چند صد ذره دیگر از کجا آمدند؟ این یک معمای حسابی بود چون فرض می شد که طبیعت، ساده و باشکوه است نه پیچیده و زشت!

 

در تلاش برای یافتن سادگی طبیعت، فیزیک دان ها شروع به طبقه بندی ذرات برحسب ویژگی های مختلف آن ها کردند. یکی از این ویژگی ها اسپین بود.

 

اسپین مقدار تکانه زاویه ای است که به هر ماده نسبت داده می شود. وقتی فرفره ای می چرخد، مقدار معینی تکانه زاویه ای دارد. هر چه چرخش آن سریع تر باشد، تکانه زاویه آن نیز بیشتر می شود. فیزیک دانان پی بردند که ایده تکانه زاویه ای برای ذرات نیز می تواند به کار رود اما به نظر می رسد که مقدار آن یک ویژگی ذاتی و تغییر ناپذیر،برای ذرات است. مثلاً اسپین یک الکترون همیشه برابر با 2/ است. (  خوانده می شود h بار، برحسب ژول در ثانیه )

در تئوری کوانتومی، تکانه زاویه ای با یکای اندازه گیری شناخته می شود و مقدار آن برابر است با :

 

 

 

تکانه زاویه ای: یک کمیت پایسته

اسپین نوعی تکانه زاویه ای ذاتی در تمام ذرات است. اما تکانه زاویه ای به حرکت یک جسم به دور جسمی دیگر هم ربط دارد. هنگامی که زمین به دور خورشید می گردد، نه تنها تکانه زاویه ای ذاتی خود را دارد، بلکه تکانه زاویه ای ناشی از حرکت به دور خورشید را نیز دارد.

 

 

تکانه زاویه ای کلی یک جسم که مربوط به اسپین و حرکت دورانی آن است، کمیت مفیدی برای بررسی است چون مقدارش همیشه ثابت است! در یک شتاب دهنده هنگامی که ذرات به هم برخورد می کنند ذرات دیگری به وجود می آیند، اما مقدار تکانه زاویه ای کل پایسته و مانند قبل است. تکانه زاویه ای کل در تمام مراحل قبل از برخورد، هنگام و بعد از برخورد همواره ثابت می ماند. این را پایستگی تکانه زاویه ای می نامند.

 

 

در شکل زیر دو ذره ( الکترون و پوزیترون ) با انرژی غیر قابل تصوری به هم برخورد می کنند.

 

 

اما در این شکل هنگامی که ذره ها نابود می شوند، دو ذره جدید به وجود می آیند.

 

 

حال در این مرحله دو ذره با اسپین 1/2 ممکن است دو ذره با اسپین صفر را تشکیل بدهند.

 

تکانه زاویه ای کل کجا رفت؟

آیا می توان گفت که تکانه زاویه ای کل پای اِستار نیست؟

 

در شکل سمت راست همانطور که مشاهده می کنید، تکانه زاویه ای هنوز پایسته است. تنها شکل آن تغییر کرده است. ابتدا به شکل اسپین بوده است و حالا به تکانه زاویه ای ناشی از دوران تبدیل شده است. درست مانند زمین و خورشید، ذرات هم به خاطر حرکت به دور نقطه برخوردشان تکانه زاویه ای دارند.

پس، تکانه زاویه ای پایسته است و تکانه زاویه ای اسپینی به تکانه زاویه ای دورانی تبدیل شده،  اما تکانه زاویه کل ثابت و بدون تغییر مانده است.

 

طبقه بندی ذرات

در آزمایش های فیزیکی، ذراتی با اسپین مشخص به یکدیگر برخورد می کردند و ذرات جدید دیگری را تولید می کردند از آن جا که فیزیک دان ها اسپین کل ذراتی را که در برخورد شرکت داشتند، می دانستند، از بقای تکانه زاویه ای کل استفاده کردند تا اسپین ذرات محصول را به دست آورند. آن ها پی بردند که اسپین تمام ذرات یا مضرب درستی از است ( یعنی ...3 و 2 و 1 و 0) و یا به صورت  است.

بسیاری از ذرات تازه کشف شده، بخشی از یک طبقه معمولی ذرات به نام هادرون ها بودند.

هادرون ها هم به دو دسته مزون ها با مقدار اسپین صحیح و باریون ها با مقدار اسپین نیمه صحیح، طبقه بندی می شوند .

ساختمان ماده

*  اتم از چه تشکیل شده است؟

* چه چیزی هسته اتم را پایدار نگاه می دارد؟

* اگر سعی کنید دو کوارک را از هم جدا کنید، چه اتفاقی می افتد؟

* آیا کوارک ها بنیادین هستند؟

برای یافتن پاسخ سؤالات مطلب زیر را که درباره درون ماده است بخوانید.

 

ساختار ماده

اتم از یک هسته و یک ابر الکترونی تشکیل شده است. خود هسته نیز از پروتون و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها یک حرکت ثابت به دور هسته دارند؛ در حالی که پروتون ها و نوترون ها داخل هسته حرکت می کنند. نوترون ها و پروتون ها هر کدام به تنهایی از سه کوارک (q) ساخته شده اند. تا آن جا که دانشمندان تاکنون دریافته اند، الکترون ها و کوارک ها در میان اجزای بنیادی سازنده مواد، جای می گیرند.

 

 

ایده های انقلابی

در تاریخ علم زمان هایی هست که کارها و پژوهش ها تنها با بیان ایده های انقلابی و نوگرا به نتیجه می رسند.

نیکلاس کوپرینک با بیان این ایده که خورشید در مرکز منظومه ی شمسی است، جهشی بزرگ را انجام داد. همچنین آلبرت اینشتین ( برنده جایزه ی نوبل 1921 ) هنگامی که در نظریه نسبیت خود بیان کرد که سرعت نور ثابت است و حد بالای سرعت ها است، چنین جهشی را انجام داد.

 

یک سؤال بی پاسخ

 

 

در دهه 1930 دیدگاه انسان نسبت به اتم به یک مرحله بحرانی و سرنوشت ساز رسیده بود. دانشمندان فهمیده بودند که اتم ها از یک هسته که متشکل از پروتون ها و نوترون هاست ( کشف شده توسط جیمز چادویک، برنده جایزه نوبل 1935 ) و یک ابر الکترونی ( کشف شده توسط جوزف جان تامسون برنده جایزه نوبل 1906 ) تشکیل شده اند و چنین فکر می کردند که این سه ذره، حالت های بنیادین همه مواد هستند.   

 

 

اماسؤال همچنان پا برجا بود:

چگونه هسته ها پایدار می مانند، در حالی که پروتون های درون آن همدیگر را دفع می کنند؟ چه چیزی اجزای هسته را کنار هم نگه می دارد؟

 

این سؤال دانشمندان را وادار به انجام آزمایش هایی با شتاب دهنده های ذرات کرد تا بر هم کنش های نوترون و پروتون را مطالعه کنند. تا این گونه پی به نحوه رفتار آن ها ببرند. هر چند، در این راه علاوه بر بررسی نوترون ها و پروتون ها انواع گوناگونی از ذرات نا آشنا نیز به دست آمد، این پدیده ها خود نیز تعداد زیادی سؤال را به همراه آوردند که سرانجام منجر به فهم و دید تازه ای نسبت به ساختار بنیادین هسته شد.

 

ابزار ردیابی

 

وسیله هایی همانند اتاقک حباب (ساخته شده توسط دونالد گلاسر برنده جایزه نوبل 1960 ) برای دست یابی به دیدگاه تازه ما نسبت به مواد بسیار مفید و لازم بودند. ایده اصلی این دستگاه این است که اگر ذرات باردار را به درون مایعی پرتاب کنیم که تا بالاتر از نقطه جوش آن گرم شده باشد، ردی از حباب پشت سر خود برجا می گذارند. از روی این رد و شکل آن می توان ویژگی های مهم ذره، همانند بار و جرم آن را به آسانی به دست آورد.

چندین ذره جدید با این وسیله کشف شد. و سؤال دیگری برای دانشمندان پیش آمد:

چگونه این ذرات به پروتون ها و نوترون ها مربوط می شوند؟

3 سفینه بیگانه در راه زمین

---

یکی از نشریات داخل کشور در مطلبی نوشته است: «3 سفینه که یکی از آن‌ها 240 کیلومتر قطر دارد، هم‌اکنون پشت مدار پلوتو است و تا پاییز سال آینده به مدار زمین می‌رسد». شما این مطلب را باور می‌کنید؟

---

«مشاهده بشقاب‌پرنده‎ها (یوفو) به ویژه در اواسط قرن بیستم در نقاط مختلف جهان بارها و بارها گزارش شد، به حدی که دیگر نادیده گرفتن اشیای عجیب و غریبی که هر ا زچند گاهی در آسمان رویت می‌شدند، بدون این‌که هیچ توضیحی بتوان درباره ماهیت‌شان ارائه کرد، ممکن نبود. در این راستا سرویس‌های ویژه در کشورهای مختلف دنیا شروع به احداث واحدهای محرمانه و خاص برای دفاع هوایی کردند و لابراتوارهای مخفی برای تحقیق درباره این وقایع شکل گرفت. اخبار محرمانه‌ای که هرازگاهی از این لابراتوارها و مراکز تحقیقاتی سری به بیرون درز می‌کند، بیانگر آن است که دانشمندان پس از این همه سال تحقیق و بررسی موفق شده‌اند قطعاتی از سفینه‌های بیگانگان فضایی و یا حتی خود فضایی‌ها را مورد مطالعه قرار دهند. به هرحال با گذشت زمان، علم به طور قطع این مشکل را نیز از سر راه برمی‌دارد، چنان‌که برخی شواهد حاکی از آن است که در این عرصه کشفیات خارق‌العاده‌ای انجام شده است و شاهد این مدعا اخبار جنجالی و مهیجی است که به تازگی از گروه تحقیقاتی «SETI» به بیرون درز کرده است. این گروه با عنوان «مرکز ویژه تحقیقات و جمع‌آوری اطلاعات درباره فضایی‌ها» یک سازمان مستقل غیرتجاری است. در این اخبار چنین آمده است: « 3 سفینه غول‌پیکر به سمت زمین در حرکت‌اند، بزرگ‌ترین آن ها 240 کیلومتر پهنا دارد و 2 سفینه دیگر کوچک‌ترند. در حال حاضر این اشیاء فضایی خارج از مدار پلوتن هستند.

این سفینه ها توسط سیستم تحقیقاتی «هارپ» ردیابی شده‌اند. بخشی از ماموریت این سیستم که در آلاسکا واقع شده، تحقیق درباره رویدادهای فضایی و ردیابی سیگنال‌های مشکوک از اعماق فضاست. به گفته محققان مجموعه SETI، این اشیاء ویژگی‌هایی دارند که تنها می توان گفت سفینه های فضایی هستند و زمانی که به مدار مریخ برسند، به خوبی توسط تلسکوپ‌های اپتیکال قابل رویت خواهند بود. ظاهرا دولت آمریکا نیز در جریان این واقعه قرار گرفته است.

نکته دیگر این است که به گفته محققان، طبق محاسبات این سفینه‌ها دسامبر 2012 به زمین می‌رسند!

تاریخی که برای رویارویی احتمالی با تمدن فضایی تخمین زده شده، به نوعی با تقویم معروف و قدیمی Mayan ارتباط پیدا می‌کند چرا که این تقویم نیز 21  دسامبر 2012 خاتمه یافته است. آیا این تنها یک تصادف است؟ شاید، گرچه محققان مجموعه تلسکوپ‌های SETI نیز که 50 سال است به طور دائم در حال رصد فضا برای ردیابی بیگانگان هستند، امیدوارند چنین باشد، با وجود تمامی یافته‌های به‌دست‌آمده، بسیاری محققان معتقدند ما در عرصه کشف ناشناخته‌های این جهان عظیم و کهکشان‌ها و سیارات تنها گروهی تازه وارد محسوب می‌شویم، چرا که تمدن‌های دیگری علاوه بر تمدن ما میلیاردها سال است که در حال رصد عالم هستی‌اند ... .»

انصافا این مطلب مولفه‌های باورپذیر زیادی دارد: توهم توطئه، ارضای حس کنجکاوی مخاطب، پنهان‌کاری دولت‌های غربی، نام بردن از افرادی با نام دانشمند، استناد به اسناد طبقه‌بندی‌شده که دسترسی به آن‌ها برای عموم مردم ناممکن است، آخرالزمان و مواردی از این دست. بنده می‌گویم این مطلب سراسر اشتباه است. چرا؟ استدلال‌های زیر را بخوانید تا بهتر متوجه شوید.

* یوفو یا اشیای پرنده ناشناس سالیان درازی است که توجه مردم را به خود جلب کرده است. گزارش‌های بسیاری از مشاهده اجرام پرنده ناشناس در شرایط مختلف جوی مطرح شده که در اغلب آن‌ها، فرد گزارش‌دهنده در وضعیت طبیعی قرار نداشته و شرایط جوی هم طوفانی بوده است. تاکنون بارها و بارها دانشمندان به بررسی این گزارش‌ها پرداخته‌اند و جالب این‌که برای تقریبا تمام آن‌ها توضیحی طبیعی یافته‌اند. اغلب این گزارش‌ها مربوط به پدیده‌های طبیعی متنوعی است که ماهیت کامل برخی از آن‌ها برای دانشمندان هنوز مشخص نیست؛ اما میل بشر به کشف ناشناخته‌ها بسیار قوی‌تر از آن است که توضیح پدیده‌ای طبیعی را به‌جای موضوع شگفت‌انگیز موجودات فضایی بپذیرد. آذرگوی‌ها، صاعقه‌های توپی، روشنایی غیرمعمول سیارات در شرایط خاص نجومی، پدیده‌های جوی مانند ابرهای شب‌تاب و ... از جمله این پدیده‌های طبیعی هستند. راستی تاکنون از خود پرسیده‌اید چرا در میان این همه گزارش‌های مختلف از مشاهده یوفو، خبری از یک دانشمند یا یک فرد تحصیل‌کرده نیست؟

* پروژه ستی (SETI) که مخفف عبارت «جستجوی هوشمندان فرازمینی» است، با هدف شناسایی پیام‌های رادیویی موجودات هوشمند فرازمینی فعالیت می‌کند و با استفاده از آنتن‌های رادیویی قوی از جمله تلسکوپ 350 متری آریسبو که بزرگ‌ترین بشقاب رادیویی روی زمین است، درتلاش است نشانه‌هایی از پیام‌های الکترومغناطیسی ارسالی موجودات هوشمند فرازمینی را آشکار کند. با این حال هنوز هیچ نشانه‌ای از این پیام‌های احتمالی به‌دست نیاورده است.

*

 کشف 3 سفینه فضایی در ورای مدار سیاره کوتوله پلوتو و تعیین ابعاد یکی از آن‌ها که 240 کیلومتر پهنا دارد، ادعای کوچکی نیست. برای این‌که بتوان وجود جسمی را در فضا تشخیص داد، تنها 2 راه وجود دارد، یکی شناسایی اثر گرانشی جسم مورد نظر و دیگری دریافت امواج الکترومغناطیسی از آن. سفینه‌های فضایی حتی در ابعاد 240 کیلومتر نیروی گرانشی آن‌چنانی ندارند که بتوانند روی حرکت اجسام بزرگ منظومه شمسی (سیارات، قمرهای سیارات، سیارک‌ها و برخی دنباله‌دارهای بزرگ) تاثیر بگذارند. (دقت کنید بیشتر فضای داخلی این سفینه‌ها خالی است و به همین دلیل جرم این سفینه در مقایسه با اجرام سماوی هم‌اندازه بسیار کمتر است). برای این‌که بتوان این تاثیرگذاری را تشخیص داد، می‌بایست برای دوره زمانی قابل توجهی تاثیرات گرانشی متقابل این اجسام را بررسی کرد و این درحالی است که پروژه‌های فعلی رصدی اجرام کمربند کویی‌پر به زحمت می‌توانند اجسامی کوچک‌تر از 1000 کیلومتر را تشخیص دهند؛ چه رسد به جسمی 240 کیلومتری که خیلی سریع از کنار این اجرام عبور می‌کند. (به منطقه پشت سیاره نپتون از فاصله 30 واحد نجومی از خورشید تا فاصله 500 واحد نجومی، کمربند کویی‌پر گفته می‌شود. هر واحد نجومی معادل فاصله متوسط زمین تا خورشید یا حدود 150 میلیون کیلومتر است).اگر منظور خبر این باشد که این اندازه‌گیری به روشی مانند رادار یا تداخل‌سنجی انجام شده، باید گفت که اجسام موجود در این فاصله به‌قدری دور هستند که پرتوهای رسیده از زمین به آنها فوق‌العاده کم‌انرژی است و به‌همین دلیل، تاکنون کسی نتوانسته با این روش‌ها ماهیت سیارات کوتوله کمربند کویی‌پر و دنباله‌دارهای موجود در آن را تشخیص دهد؛ سفینه فضایی که جای خود دارد.

* پروژه هارپ، آزمایشی است برای بررسی یونوسفر زمین و متاسفانه برخی افراد، خواسته یا ناخواسته آن را به هر پدیده طبیعی و غیرطبیعی روی‌داده در سالیان اخیر مرتبط می‌کنند. در ضمن، موقعیت پروژه هارپ برای آشکارسازی اجرامی که در صفحه دایره‌البروج حرکت می‌کنند (مانند سیارات) بسیار بد است، چرا که در آسمان آلاسکا، اجرام منظومه شمسی در ارتفاع بسیار پایینی از افق حرکت می‌کنند و این درحالی است که هارپ اصولا برای بررسی محدوده بالای سر خود طراحی شده است.

* 

فرض کنید این سفینه در پشت مدار پلوتو (با فاصله 40 واحد نجومی از خورشید) وجود دارد و می‌خواهد تا دسامبر 2012 یعنی 19 ماه دیگر به زمین برسد. برای این‌که سرعت زیاد این جسم را درک کنید، به مدار دنباله‌دار هالی دقت کنید. دنباله‌دار هالی هر 76 سال یک‌بار به دور خورشید می‌گردد. در نزدیک‌ترین فاصله، این دنباله‌دار به 0.6 واحد نجومی از خورشید می‌رسد و در دورترین فاصله به 35 واحد نجومی از خورشید. 35 واحد نجومی جایی بین مدار نپتون و پلوتو است. برای آن‌که دنباله‌دار هالی از دورترین فاصله مداری به نزدیکی مدار زمین برسد، 38 سال یا 456 ماه زمان نیاز دارد.

این درحالی است که سفینه موردنظر 19ماهه مسافت بیشتری را طی می‌کند و بنابراین سرعت متوسط آن حداقل 24 برابر سرعت دنباله‌دار هالی است. اگر مسیر حرکت سفینه را خطی مستقیم فرض کنیم، سرعت متوسط آن برای رسیدن به زمین 430هزار کیلومتر بر ساعت یا 119 کیلومتر بر ثانیه است، با این سرعت می‌توان در کمتر از 1 ساعت از زمین به ماه رسید! (توجه داشته باشید که مسیر حرکت این فضاپیما تحت تاثیر گرانش خورشید یک منحنی است و بنابراین، مقدار سرعت متوسط بیشتر از این مقدار خواهد بود و سرعت لحظه‌ای در زمان رسیدن فضاپیما به مدار زمین حدود 130 کیلومتر بر ثانیه است. با این حال فرض می‌کنیم بیشترین سرعت فضاپیما همان 119 کیلومتر بر ثانیه باشد) . برای مقایسه، جالب است بدانید سریع‌ترین ابزاری که انسان تاکنون روانه فضا کرده، فضاپیمای ویجر1 است که پس از 33.5 سال سفر میان‌سیاره‌ای و کمک از جاذبه سیارات برای افزایش سرعت، هم‌اکنون به فاصله 117 واحد نجومی از خورشید رسیده و با سرعت 3.6 واحدنجومی بر سال (17 کیلومتر بر ثانیه) از خورشید دور می‌شود.

ممکن است بگویید فضایی‌هایی که توانسته‌اند فضاپیمایی به قطر 240 کیلومتر بسازند، حتما به فناوری دستیابی به سرعت‌های بسیار زیاد هم رسیده‌اند. بیایید حساب کنیم این فضایی‌ها چند وقت است که در راه هستند. نزدیک‌ترین منظومه ستاره‌ای به زمین، منظومه آلفا-قنطورس در صورت‌فلکی قنطورس است و نزدیک‌ترین ستاره این منظومه به خورشید، ستاره پروکسیما-قنطورس که 4.2 سال‌نوری (40هزارمیلیارد کیلومتر) با زمین فاصله دارد. اگر این فضاپیما از این منظومه به‌راه افتاده باشد و سرعتش هم در تمام طول مسیر ثابت مانده باشد، آن‌گاه 335 میلیارد و 300میلیون ثانیه در راه بوده تا به زمین برسد، این مقدار یعنی 10600 سال؛ به عبارت دیگر، آن‌ها حدود 11هزار سال پیش از منظومه آلفا قنطورس به راه افتاده‌اند تا 19 ماه دیگر به زمین برسند. تازه این در شرایطی است که فرض نکنیم آن‌ها در حال گشت‌وگذار در فضای میان‌ستاره‌ای بوده‌اند تا به اینجا برسند. منظومه‌های ستاره‌ای دورتر هم که جای خود دارند.

* 

متاسفانه خیلی از افراد این دو موضوع را با هم اشتباه می‌گیرند، اول این‌که آیا غیر از زمین، در جای دیگری در جهان حیات وجود دارد و دوم، این‌که آیا یوفوها مربوط به همان موجودات فرازمینی هستند که به زمین سرک می‌کشند. پاسخ سوال اول بسیار روشن است: تعداد ستارگان موجود در کهکشان راه‌شیری چیزی حدود 200 میلیارد عدد است که حداقل نیمی از آن‌ها دارای منظومه‌های سیار‌ه‌ای هستند. این‌ها غیر از مقدار تخمینی 400 میلیارد سیاره دیگری است که دانشمندان به‌تازگی کشف کرده‌اند در فضای میان‌ستاره‌ای سرگردانند. کهکشان راه‌شیری هم یکی از چندصدمیلیارد کهکشانی است که تخمین زده می‌شود در عالم قابل مشاهده وجود داشته باشد. بنابراین هرقدر احتمال وجود حیات را اندک درنظر بگیریم، بازهم تعداد قابل توجهی سیاره نامزد وجود حیات فقط در کهکشان خودمان وجود خواهد داشت. دیگر کهکشان‌ها که جای خود دارند.

اما پاسخ به این سوال که آیا این موجودات در گذشته با زمینی‌ها ارتباط برقرار کرده‌اند یا گزارش‌های رسیده درمورد یوفوها مرتبط با این موجودات است، بسیار دشوار است. از عمر عالم 13 میلیارد و 750 میلیون سال می‌گذرد. کهکشان ما، راه‌شیری حدود 12 میلیارد و 700 میلیون سال عمر دارد. سن خورشید، ستاره و تنها منبع انرژی منظومه شمسی به 5 میلیارد سال رسیده و از تشکیل سیاره زمین بیش از 4.5 میلیارد سال می‌گذرد. نخستین گونه‌های حیات 4 میلیارد سال پیش روی زمین پدیدار شدند و در طول این زمان بسیار طولانی، حیات روی زمین چندین و چند بار تا مرز انقراض کامل پیش رفته است. با این حال، انسان به عنوان پیشرفته‌ترین موجود زنده روی زمین فقط 100 سال است که آن‌قدر پیشرفت کرده که بتواند دنیای اطراف خود را بهتر بشناسد و با فضاهای دوردست ارتباط برقرار کند. اگر همین حساب‌وکتاب را برای دیگر اجرام موجود در عالم و منظومه‌های ستاره‌ای دور و نزدیک انجام دهید، می‌بینید که ممکن است تمدن‌های فرازمینی فراوانی در گذشته پدید آمده و هم‌اکنون نابود شده باشند. اما این ایده که موجودات فرازمینی پیشرفته و توانمندی که توانسته‌اند ابزاری برای سفر در فواصل کیهانی اختراع کنند و چنین زحمتی را تحمل کرده‌اند تا به زمین برسند، صرفا با زمینی‌ها قایم‌باشک بازی می‌کنند و آن‌ها را سرکار می‌گذارند، خیلی با عقل جور درنمی‌آید!

 

هنوز فکر می‌کنید این 3 سفینه فضایی وجود دارند و تا 19 ماه دیگر به زمین می‌رسند؟

انواع لیزر و ویژگی ها (3)

---

در راستای معرفی انواع لیزرهای محیط فعال در قسمت های (1) و (2)، دراین قسمت به معرفی سه نوع لیزر دیگر می پردازیم.

---

لیزرهای جامد بلورین وشیشه ای

در دسته ی مهم دیگری از لیزرها،جهت محیط فعال، از مواد شیشه ای یا جامد بلورین استفاده می کنند. یاقوت و نئودیمیوم- یاگ، دو مثال عمومی از لیزرهای جامد با کاربرد صنعتی گسترده هستند. یاقوت، اکسید آلومینیوم بلورین است که در آن یون های کروم جایگزین بعضی از یون های آلومینیوم در شبکه ی بلوری، شده اند.این یون های کروم، تشکیل دهنده ی عناصر فعال در لیزر یاقوت هستند.

بلور ایتریم- آلومینیوم- گارنت(YAG)، بلور میزبان برای نئودیمیوم در لیزرهای نئودیمیوم یاگ است، که بعضی از یون های ایتریم توسط یون های سه بار یونیده نئودینیوم که عنصر خاکی کمیاب است، جایگزین شده است. از شیشه هم به عنوان میزبان برای لیزرهای نئودیمیوم استفاده می شود. در شکل زیر موئلفه های مختلف لیزر نئودیمیوم- یاگ در حالت موج پیوسته آن نشان داده شده است.

محیط فعال استوانه ای از بلور لیزر است که دو انتهای آن کاملا موازی و صیقلی است. برای کاهش تلفات، دو انتهای میله توسط مواد ضدبازتاب لایه گذاری شده است. عمل تحریک در این لیزر خاص با لامپ رشته ای تنگستن متصل به منبع تغذیه متناوب، انجام می شود. در نمونه های بزرگتر از لامپ های قوس الکتریکی کریپتون(تخلیه گازی) به عنوان منبع پمپاژ استفاده می شود. هر دو نوع لامپ، پمپاژاپتیکی پیوسته ای برای بلور لیزر فراهم می سازد. آینه های لیزر نئودیمیوم- یاگ معمولا جدا از محیط فعال قرار می گیرند ولی گاهی یکی از آینه ها با تکنیک لایه گذاری روی یک انتهای میله لیزر تشکیل می دهند.

لیزرهای نئودیمیوم- یاگ پالسی دارای همان پایه طراحی پمپاژ پیوسته هستند، جز آنکه لامپ پمپاژ پیوسته و منبع تغذیه پیوسته توسط لامپ درخش زینون و یک منبع تغذیه پالسی جایگزین می شوند.

به عنوان مثال، اگر لامپ تخلیه ید – تنگستن توسط لامپ درخش زینون یا دیود لیزر پالسی جایگزین گردد، می توان عمل لیزری پالسی به جای عمل پیوسته را به دست آورد. لیزرهای یاقوت از تظر ساختمانی بسیار شبیه این نوع لیزر است، ولی معمولا آنها به عنوان لیزرهای پالسی کار می کنند.

 

لیزرهای مایع رنگی(رزینه ای)

در لیزرهای مایع رنگی از محلول مواد پیچیده به عنوان محیط فعال استفاده می شود. رنگها مولکول های آلی بزرگی هستند که وزن مولکولی آنها به چند صد می رسد. رودامین G6 و سدیم فلوئورسنت دو نمونه از این رنگ ها هستند. مواد رنگی را در حلالی آلی مثل متیل- الکل حل می کنند. بنابراین محیط فعال به صورت مایع است. لیزرهای رزینه ای تنها نوع لیزرهای مایعی هستند که حالت توسعه یافته ای پیدا کرده اند. در شکل زیر نموداری از طراحی رایج لیزر رزینه ای دیده می شود.

منبع پمپاز برای دمش محلول رنگ یک لیزر آرگون است که پرتو آن در باریکه ای کوچک کانونی می شود. لیزر آرگون لیزر گازی است که نور آبی و سبز تابش می کند.محلول رنگ به صورت جت با سرعت بالا جریان می یابد و همزمان پرتو لیزر آرگون بر روی محلول رنگی جت کانونی می گردد. طول موج نور خروجی را می توان به وسیله عناصر کوک شونده ای تنظیم کرد.

یکی از بزرگترین مزیت های لیزرهای رزینه ای قابلیت تنظیم یعنی تغییر رنگ پرتو خروجی توسط عناصر تنظیم و هم چنین تغییر نوع رنگ مورد استفاده در لیزر است. خروجی تکفام حاصل از لیزرهای رزینه ای در گستره وسیعی از فرابنفش تا نزدیک فرو سرخ قابل تنظیم اند. لیزرهای رزینه ای که در طول موج مریی و بخش هایی از فرو سرخ و فرا بنفش قابل تنظیم هستند به طور تجاری در هر دو حالت پالسی و پیوسته قابل دسترس هستند. این لیزرها برای کاربرد هایی همچون طیف نگاری که در آن قابلیت تنظیم طول موج بسیار حائز اهمیت است، انتخاب می شوند.

لیزرهای نیم رسانا

محیط فعال لیزر نیم رسانا، پیوند بین دو نوع ماده نیم رسانای مختلف است. نیم رسانا ماده ای است که رسانش الکتریکی آن بزرگتر از رسانش الکتریکی یک عایق، مثل شیشه یا پلاستیک است ولی از رسانش الکتریکی یک رسانا مثل نقره، یا مس کمتر است. گالیم آرسناید (GaAs) نمونه ای از ماده نیمرسانای مورد استفاده در ساخت لیزرهای نیم رسانا

 بشمار می رود. نیم رسانای نوع (p) دچار کمبود الکترون در شبکه بلوری است. این کمبود الکترون بدین صورت وجود دارد که مکان هایی در شبکه می توانند الکترون پذیر باشند. این حفره های با بار مثبت، حامل جریان الکتریکی در نیمه رسانای نوع p هستند. در مقابل یک نیم رسانای نوع (n) دارای الکترون اضافی است که به عنوان حامل جریان عمل می کند. اگر دو تیغه از نوع n و نوع p به یکدیگر پیوند بخورند، نتیجه پیوند pn نامیده می شود.

وقتی جریان از پیوند pn عبور کند، الکترون های آزاد موجود در ماده نوع n با حفره های موجود در ماده نوع n ترکیب می شوند و انرژی آزاد می کنند. این انرژی ممکن است به صورت نور مریی در دایودهای نور زا که در نمایشگرهای ماشین های حساب الکترونیکی استفاده می شود ظاهر شود. دایود لیزری، از بلور گالیم آرسناید مکعب مستطیل شکل، تشکیل می شود که شامل پیوند pn است. کل مجموعه به اندازه یک دانه شن است.

وجوه انتهای دایود لیزری به موازات صفحات بلوری برش داده می شود تا صفحات بازتابگر موازی که به عنوان آینه های پس خوراند عمل می کند را به وجود آورد. شیوه ی تحریک، با عبور جریان در امتداد پیوند حاصل می شود. خروجی لیزرهای نیم رسانا معمولا در ناحیه فرو سرخ است. اگرچه بعضی از نمونه های آن در ناحیه مریی عمل می کنند.

انواع لیزر و ویژگی ها (2)

---

 در این مطلب در ادامه مطالب قسمت اول به معرفی لیزرهای اپتیکی ،گازی و برخی ویژگیهای آنها پرداخته شده است.

---

 

لیزرهای اپتیکی

قبل از اختراع لیزر یاقوت، تقویت در ناحیه میکرو موج در محیط گاز آمونیاک توسط تاونز مشاهده گردیده بود. به ابزاری که در این ناحیه از میکروموج کار می کرد میزر گفته شد. پس از آنکه لیزر یاقوت اختراع گردید، در واقع گستردگی فرکانس به ناحیه اپتیکی که بشر قادر به دیدن آن است رسید. به ابزاری که حاصل گردید "میزر اپتیکی" و یا لیزر گفته شد و از آن تاریخ به بعد، کم و بیش، به نور و یا دستگاهی که بتواند در هر فرکانسی بر اساس گسیل القایی فعال باشد "لیزر" گفته شد.

توصیف کوانتومی

پس از آنکه شالو و تاونز مقاله خود را در مورد امکان عمل لیزری  در ناحیه فروسرخ و مرئی به چاپ رساندند، طولی نکشید که پژوهشگران فراوانی، به طور جدی کار بر روی دستگاه آزمایشی را شروع کردند. اغلب پژوهشگران فکر می کردند که گازها اولین تقویت کننده لیزری در ناحیه مرئی و فروسرخ می باشند. ولی با کمال تعجب یاقوت اولین ماده ای بود که نور لیزری را در ناحیه مرئی تولید کرد. یک درگیری قانونی تلخی در مورد کسی که این لیزر را اختراع کرد هم وجود داشت.

ابتدا تصور می شد که پمپاژ اپتیکی با نوار پهن ناکارا باشد، ولی دیده شد که این فقط در مورد یون های با تشدیدهای خیلی باریک مثل مورد گازها و پلاسماها صادق است.

وقتی یون ها در داخل جامد قرار گیرند، می توانند تابش را در یک نوار وسیع تری از طول موج ها جذب کنند. تابش اپتیکی با طول موجی حدود 550 نانومتر توسط یون های کروم که به صورت رقیقی در شبکه بلوری سنگ سنباده یا اکسید آلومینیوم تزریق شده اند، جذب می گردد و سپس انتقالی غیر حرارتی سریع به یک تراز شبه پایدار پایین تر با عمر 5 میلی ثانیه صورت می گیرد. چنانچه توان پمپاژ از مقدار آستانه بالاتر باشد، جمعیت وارون می تواند بین این حالت شبه پایدار و حالت پایه بوجود آید.

با قرار دادن آن در یک تشدیدگر اپتیکی، عمل لیزری به میزان قابل توجهی بهبود می یابد.

 

تشریح مکانیکی

اولین لیزر اپتیکی توسط مایمن در سال 1340 هجری(1960 میلادی) به طور موفقیت آمیز ساخته شد. این لیزر از بلور یاقوت در داخل لامپ درخشش مارپیچی شکل تشکیل شده و مجموعه در داخل حفره استوانه ای شکل آلومینیومی براق قرار گرفته است و استوانه توسط هوای فشرده خنک می شود. استوانه یاقوت تشکیل کاواک فابری-پرو را می دهد که دو انتهای آن به صورت اپتیکی صیقل داده شده است. هریک از دو انتها توسط بخار نقره پوشیده می شود و یکی از دو انتها کمتر بازتاب کننده است، تا بخشی از تابش بتواند از آن خارج شود و به صورت یک پرتوی لیزری درآید. عمل پمپاژ توسط تخلیه سریع لامپ درخش صورت می گیرد. اولین لیزرهای یاقوت به دلیل پخش گرما و نیاز به توان پمپاژ بالا در حالت پالسی کار می کردند.

در سال 1340 هجری(1961 میلادی)نلسون و بویل با جایگزین کردن لامپ درخشش توسط یک لامپ قوس الکتریک، لیزر پیوسته را ساختند. در شکل زیر نمایش طرز کار لیزر یاقوت که توسط مایمن طراحی، ساخته و شروع به کار کرده آورده شده است.

استفاده عملی

مدت کوتاهی پس از ساخت موفقیت آمیز اولین لیزر اپتیکی، آزمایشگاه های جهان آزمایش بر روی مواد و یونهای مختلف از قبیل خاک های کمیاب از گروه لانتانیدها و حتی اورامنیم را انجام دادند و عمل لیزری در آنها مشاده شد. مواد مختلفی در آزمایش قرار گرفتند که عبارتند از ایتریم آلومینیوم گارنت(YAG) و شیشه. با پیشرفت فناوری، ساخت این لیزرها به سرعت از آزمایشگاه خارج شده و کاربردهای تجاری پیدا کردند.

 

لیزهای گازی

در بخش بزرگ و مهمی از لیزرها یک نوع گاز یا مخلوطی از گازها به عنوان محیط فعال مورد استفاده قرار می گیرند. عمل تحریک اتم ها معمولا با عبور جریان الکتریکی از داخل گاز صورت می گیرد. لیزرهای گازی هم به صورت پیوسته و هم به صورت پالسی می توانند کار کنند. یک نوع لیزر گازی شامل مخلوطی از گاز هلیوم و گاز نئون است که در شکل زیر نشان داده شده است.

مخلوط گازی، در داخل لوله شیشه ای محفظه بسته به نام لوله "پلاسما" و در فشار خیلی پایین وجود دارد. ساز و کار تحریک لیزر هلیم-نئون تخلیه جریان مستقیم در داخل گاز است و این جریان با عث تحریک اتمهای هلیم به حالتهای اتمی بر انگیخته می گردد. انرژی اتمهای هلیوم برانگیخته از طریق برخورد با اتمهای نئون به آنها منتقل می شود و در نتیجه اتمهای نئون به یک تراز انرژی پایین تر که منجر به عمل لیزری می گردد، انتقال می یابند. ساز و کار پس خوراند(feedback) شامل یک جفت آیینه است که در دو انتهای لوله ی پلاسما تعبیه شده اند. یکی از این آیینه ها به نام جفت کننده خروجی یک تا دو درصد نور را به شکل پرتو پیوسته عبور می دهد که پرتو خروجی لیزر را تشکیل می دهند.

انواع لیزر و ویژگی ها(1)

---

 برای شناخت لیزر ابتدا می باید به شناخت نور و سپس به شناخت ماده پرداخت، در این بخش طبیعت نور را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

---

بدون شک یونانی ها اولین قومی بودند که به توضیح نور و اینکه اشیا چگونه دیده می شوند پرداختند. مدتها بعد تجربه های علمی، دو نظریه را راجع به نور مطرح ساخت. اولین نظریه مرتبط با نظریه ذره ای نور است که ابتدا توسط نیوتن مطرح گردید، وی پیشنهاد کرد که نور شامل جریانی از ذره است که از قوانین دینامیکی حرکت که خود از بنیان گذار آن بود تبعیت می کند. دومین نظریه توسط هوک و هویگنس پیشنهاد شد که فرض کردند که نور دارای طبیعت موجی است.

برای همین نظریه نور که بتواند قابل قبول باشد، لازم است که این نظریه پاسخگوی پدیده های مشاهده شده هم باشد. پراش واژه ایست که برای بیان انحراف نور از "لبه ها و گوشه ها" انتخاب شده است، بنابراین سایه های اجسام روی صفحه ای دور از جسم کاملا تیز نیستند. تداخل نور نیز نشان می دهد که نور دارای طبیعت موجی است. پدیده فوتوالکتریک، از جهت دیگر، با پذیرفتن طبیعت ذره ای نور قابل توضیح می باشد. بنابراین هر دو نظریه موجی بودن و ذره ای بودن نور قادرند به توضیح پدیده های فیزیکی که با نور سر و کار دارند بپردازند.

 

 

"حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light(نور) Amplification(تقویت)،  Stimulated (القایی)،)Emissionگسیل)) Radiation تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود."

 

انواع مختلف لیزر:

لیزرها را می توان به دسته های مختلفی دسته بندی کرد:

1. بر اساس حالت محیط فعال:جامد مایع گاز یا پلاسما که در این قسمت به آن می پردازیم.

2. گستردگی بینابی طول موج لیزر:مریی، فرو سرخ و نظایر آن

3.  روش تحریک یا پمپاژمحیط فعال(دمش): دمش نوری، دمش الکتریکی و غیره

4. مشخصه تابش صادر شده توسط لیزر

5. تعداد ترازهای انرژی که درفرآیند تقویت نور شرکت می کنند.

 

انواع مختلف لیزر بر حسب محیط فعال

محیط فعال تعیین کننده نوع لیزر است و به همین دلیل در بعضی از تقسیم بندیها نام لیزر رابا نام محیط فعال آن مشخص می کنند. منظور ازمحیط فعال مجموعهای ازاتمها و یا مولکولها ست که می توان در آن جمعیت وارون ایجادکردو درنتیجه تابش الکترو مغناطیسی توسط گسیل القایی را حاصل نمود. از میان نمونه های متعدد می توان لیزر خاص پرتو ایکس را معرفی کرد.

 

 

لیزرهای پرتو ایکس

در این لیزرها، هدف از یک ورقه نازک سلنیوم یا عنصر دیگری با عدد اتمی بالا که برای افزایش سختی روی زیر لایه ای از وینیل نشانده می شود، تشکیل می شود. هدف از دو طرف توسط یک جفت پالس لیزری از لیزر پر توان که تمرکز ان چند صد بار بزرگتر از عرض آن است، تحت تابش قرار می گیرد.

در اثر این تابش، ورقه سلنیوم منفجر می گردد و پلاسمایی از یون های سلنیوم که از 24 الکترون تهی شده است بوجود می آید. یون حاصل دارای بار الکتریکی بسیار زیادی است. اختلاف انرژی الکترون های بیرونی یون مناسب با مربع Z است(Z بار یون است) ، و این منجر به گسیل های پرتو ایکس با طول موج خیلی کوتاه می گردد.

از آنجا که آهنگ واپاشی یا فروافت خود به خودی متناسب با توان چهارم z است، منبع پمپاژ باید 1000 برابر انرژی بیشتری را در زمانی ده هزار بار سریعتر از لیزر اپتیکی به هدف تحویل دهد. حل این مسئله توسط یون های با z کم امکان پذیر است.

ممکن است لازم نباشد که تعداد زیادی الکترون را از یک عنصر با عدد اتمی بالا جدا کنیم. می توان به وسیله  سایر گذارهای پرتوی ایکس، از جمله الکترون های داخلی که توسط الکترون های بیرونی حفاظ نشده اند و نیروی کامل بار هسته ای را احساس می کنند به عمل لیزر ایکس با جدیت کمتری دست یافت.

همچنین، نتایج امیدوار کننده ای از گذارهای پرتو ایکس قوی در الکترون های داخلی میکرو خوشه های اتمی بدست آمده است. در حال حاضر بازدهی اینگونه لیزرها خیلی کم است زیرا بیشتر بر اساس تحریک برخوردی استوار است. می توان با خنک سازی سریع که منجر به پمپاژ ترکیب مجدد سه ذره ای پلاسمای به شدت یونیزه می گردد، به بازدهی بسیار بیشتری دست یافت. به نظر می رسد که ترکیبی از روشها، شامل خنک سازی تماسی و انبساط بی در رو  از همه امیدوار کننده تر است.

 

بیوهولوگرافی

با استفاده از کوتاه بودن طول موج لیزرهای پرتو ایکس پالسی می توان عکسهای فوری سه بعدی از یک بیومولکول تنها در داخل سلول زنده تهیه کرد. این امکان برای میکروبیولوژیستها فراهم می شود که مولکول های آلی لطیف و پیچیده را در محیط طبیعی خودشان، در حالی که در داخل سلول زنده باقی می مانند، بررسی و آزمایش کنند. تحت شرایط مناسبی حتی می توان این مولکول ها را در حین تغییرات مهم شیمیایی و در طول عملکرد طبیعی خود، مورد مطالعه قرار داد. دیگر نیازی به کار مشکل منزوی سازی، خالص سازی و رشد بلورهای کامل در شاتل های فضایی و غیره نیست.

اغلب بیومولکول های بزرگتر، وقتی از محیط آبی طبیعی خود یا از دیواره سلولها خارج می شوند، شکل خود را تغییر می دهند. در طول مدت فرایند خالص سازی، اطلاعات حیاتی در مورد عملکرد و مکان هندسی و آرایش داخل سلول زنده، از دست می رود.

تمام این مسائل و مشکلات با هولوگرافی پرتو ایکس برطرف می گردد. طول موج در داخل پنجره آبی جایی که ضریب جذب نا پیوسته، اجازه می دهد که پرتو ایکس نسبتا بدون مانع در مقایسه با دیگر مولفه های اتمی بیومولکولی مثل کربن، عبور کند، تنظیم می گردد. باریکه باید از لایه نسبتا نازک آب شامل سلول عبور کند. از مؤلفه های مختلف سلولی می توان همزمان تصویر برداری سه بعدی انجام داد. به احتمال بسیار زیاد بعد از تابش، سلول به طرز جبران ناپذیری صدمه خواهد دید. با این وجود، اطلاعات ساختاری ارزشمندی به طور پیوسته در هلوگرام ثبت خواهد شد.

تنها فناوری دیگری که امروزه این توانایی را دارد،بیناب سنجی تشدید مغناطیسی است. با این وجود توانایی آن برای تعیین ساختمان هندسی دقیق و مکان های بیومولکول ها در داخل سلول زنده تا حدودی غیر مستقیم و نظری است.

توانایی تصویر برداری مستقیم از بیو مولکول ها باعث می شود که پیشرفت های بسیار زیادی در ژنتیک و دیگر زمینه ها صورت گیرد.

 

نجوم

داده های بدست آمده اخیر از گروه پژوهشی اخترشناسی با پرتوایکس نشان می دهد که لیزر پرتوایکس، در کوازارهای در حال کارکردن است. این شاهد برجسته، تامین کننده و پشتیبان قوی نظریه ستاره لیزری  است: پدیده جمعیت وارون شدیدی می تواند در هر طول موجی، از میکروموج تا ناحیه مرئی و پرتوایکس، در جو ستاره ای به وجود آید.

تازه های فناوری نانو (5)

---

پژوهش هایی که فناوری ‌نانو درزمینه ی بیماری سرطان داشته است، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.تاکنون تعامل میان فناوری‌نانو در زمینه سرطان و زیست‌شناسی سرطان، تحولی عظیم در روش‌های تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان ایجاد کرده است، که این دستاوردها آغازی برای رسیدن به کاربردهای بالینی می‌باشند. فناوری‌نانو با ارائه ابزارهای جدید موجب تسریع روند تشخیص سرطان در مراکز درمان سرطان و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و نیز درک چگونگی عوامل و فرآیندهای ایجاد کنند، این بیماری و دلایل پیشرفت آن، گشته است.

دراین قسمت درادامه قسمت های (1) و (2) و (3) و (4) به بخشی دیگرازپژوهش های فناوری نانودررابطه باسرطان می پردازیم.

---

 به گفته Andro von eschenbach، سرپرست انستیتو ملی سرطان، فناوری‌نانو، دانش مربوط به مقیاس‌های کوچک، در حال جذب بزرگ‌ترین دانشمندان از سراسر دنیا در زمینه‌های گوناگون علمی و مهندسی می‌باشد و هدف آن معطوف و هماهنگ كردن استعدادها و ذهن آنها بر روی حل مسائل و مشکلاتی است که بر سر راه تحقیقات در مورد تجهیزات درمان بالینی وجود دارد. به عقیده وی، نانومواد و نانوابزارها نقشی بی‌نظیر و حیاتی را در تبدیل دانش به پیشرفت‌های مفید بالینی در زمینه تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی ایفا می‌‌کنند، كاری که با انجام آن روند تشخیص و درمان و نهایتاَ پیشگیری از سرطان کاملاَ متحول خواهد شد.مثالی که می‌تواند به منظور درک بیشتر پتانسیل وسیع فناوری‌نانو در زمینه تغییر روش‌های تشخیص و درمان سرطان به کار رود استفاده از نانو‌ذرات می‌باشد.

 

استفاده از نقاط کوانتومی در تشخیص و درمان سرطان

استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان ابزارهای جدید تشخیص سرطان در مراحل اولیه، بسیار نوید‌بخش بوده است، اما وجود نگرانی‌ها درباره اثرات سمی این ذرات روی بدن، توسعه بالینی آنها را محدود کرده است. محققان دانشگاه بوفالو روش جدیدی برای ساخت نقاط کوانتومی توسعه داده‌اند که شاید بتواند این محدودیت را از بین ببرد. این کشف آنها درست سر موقع اتفاق افتاده است، زیرا گروهی دیگر از محققان در دانشگاه تگزاس واقع در آرلینگتون (UTA) نشان داده‌اند که نقاط کوانتومی می‌توانند به عنوان دماسنج‌های نانومقیاس عمل کرده و درمان‌های حرارتی مختلف مبتنی بر نانوذرات را که برای درمان سرطان توسعه یافته‌اند، راهنمایی کنند.

دکتر پاراس پراساد از دانشگاه بوفالو روی روش‌های مختلف تولید نقاط کوانتومی جدید کار کرده است. آخرین کار وی که در مجله Small منتشر شده است، منجر به تولید نقاط کوانتومی زیست‌سازگاری شده که تا بیش از سه ماه پس از تزریق هیچ اثر سمیتی از خود نشان نمی‌دهند. این نقاط کوانتومی دارای یک هسته از جنس سولفید کادمیوم هستند که با لایه نازکی از کادمیوم، سلنیوم و تلوریوم پوشانده شده‌اند. آنها نقاط تولید شده را با یک لایه زبر از یک ماده آبگریز روکش‌دهی کرده و بدین ترتیب از نشت این فلزات سمی به درون بدن جلوگیری نمودند. این روکش همچنین دارای گروه‌های شیمیایی است که می‌توان عوامل هدفگیر یا داروها را به آنها متصل کرد.

دکتر پراساد و همکارانش توانستند پس از تزریق این ذرات بسیار درخشنده به بدن موش، با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز نزدیک از آنها تصویربرداری کرده و محل تجمع آنها را درون بدن تشخیص دهند. بر خلاف نقاط کوانتومی معمول، احتمال تجمع این ذرات روکش‌دهی شده در کبد و طحال پایین است. مطالعه بافت‌های جداشده از بدن موش 100 روز پس از تزریق نشان داد که هیچ گونه آسیب ناشی از تجمع نقاط کوانتومی در آنها دیده نمی‌شود. این پژوهشگران همچنین گزارش نموده‌اند موش‌هایی که تزریق روی آنها صورت گرفته بود، در طول دوره مطالعه رفتار عادی از خود نشان می‌دادند.

در همین حال، دکتر بوسمو هان از UTA در مقاله منتشر شده درAnnals of Biomedical Engineering گزارش کرده‌ که توانسته است از نقاط کوانتومی تلورید کادمیوم/سولفید روی به عنوان دماسنج‌های نانومقیاسی که می‌توانند تغییرات دمای موضعی را به صورت بلادرنگ تشخیص دهند، استفاده کند. هدف از انجام این کار ایجاد یک ابزار تشخیصی است که تومورشناسان را قادر می‌سازد رسیدن به دمای مناسب برای کشتن سلول‌ها در فرایند حرارت‌درمانی را تشخیص دهند.

ترکیب این دو کار پژوهشی می‌تواند برای تشخیص و درمان کاراتر سرطان در آینده نویدبخش باشد.

  

استفاده از نانوذرات مغناطیسی در درمان سرطان

افزایش دمای بافت‌های بدن انسان تا بیش از 5 درجه سیلسیوس می ‌تواند تمام فعالیت‌های عادی سلولی را متوقف و منجر به مرگ سلول‌ها شود که به این روش، درمان انهدام حرارتی می‌گویند. چندین گروه از محققان در حال گسترش نانوذرات و نانولوله‌های كربنی به عنوان گرم‌كننده‌‌های نانومقیاس برای استفاده در درمان سرطان هستند و نشان داده‌اند استفاده از نانوذرات مغناطیسی و گرم کردن آنها با اعمال میدان مغناطیسی متناوب می‌تواند در انهدام تومورها مفید واقع شود.

گروهی از محققان از موسسة Triton Biosystem و دانشگاه كالیفرنیا نشان دادند كه ذرات مغناطیسی اكسیدآهن كه به یك پادتن متصل می‌شوند، قادرند مولكول‌های سرطانی را تشخیص داده، از جریان خون خارج و به سلول‌های تومور هدف، متصل شوند. این محققان از یك پادتن نشان‌دار با عنصر رادیواكتیو ایندیم– III استفاده كردند و توانستند اتصال این ذرات به سلول‌های سرطانی سین? موش را تشخیص دهند.

توانایی ردیابی این نانوذرات، پژوهشگران را قادر می‌سازد تا زمان بهینه شروع درمان حرارتی را تعیین كنند. اعمال میدان مغناطیسی متناوب در این زمان منجر به كاهش چشمگیر اندازة تومور می‌شود.همچنین این محققان در مقاله دیگری نشان دادند که می‌توانند برای گرم كردن نانوذرات جهت انهدام سلول‌‌های سرطانی جانواران بدون آسیب به سلول‌های سالم، از میدان‌های مغناطیسی متناوب با دامنة بالا استفاده کند. اساس استفاده از این میدان‌ها پالسی‌كردن میدان‌ها با فركانس مناسب است، به گونه‌ای كه بافت‌هایی كه نانوذرات در آنها تجمع نكرده‌اند گرم نشوند. با استفاده از میدان مغناطیسی پالسی هیچ گونه عوارض جانبی درموش‌های آزمایشی مشاهده نشد.

پس از انجام این آزمایشات، دانشمندان شرکت Triton ‌به استفاده از پادتن anti-Ep-CAM روی آوردند و توانستند فرآیند ساخت نانوذرات مغناطیسی را بهبود داده و ذراتی تولید كنند كه هفت برابر بیشتر از نانوذرات قبلی گرما تولید ‌كنند. این شركت شروع آزمایشات بالینی بر روی انسان را با استفاده از نانوذرات مغناطیسی متصل به پادتن anti-Ep-CAM؛ درسال 2006 تخمین زد.

این كار مطالعاتی در دو مقاله با عناوین

"Development of tumor targeting bioprobes (¹¹¹In-chimeric L6 monoclonal Antibody nanoparticles) for alternating magnetic field Cancer therapy,"

"Application of high amplitude alternating magnetic fields for Heat induction of nanoparticles localized in cancer."

به تفصیل شرح داده شده است.

 

استفاده از نانولوله‌های کربنی در حرارت‌درمانی سرطان

گروهی از محققان مرکز پزشکی Baptist در دانشگاه Wake Forest روشی برای درمان سرطان با استفاده از نور لیزر یافته‌اند. در این روش نور لیزر نانوذرات را گرم کرده و حرارت ایجاد شده تومور را از بین می‌برد. آنها برای این کار از نانولوله‌های کربنی چنددیواره حاوی آهن استفاده کرده‌اند.

این گروه تحقیقاتی در بررسی‌های آزمایشگاهی خود نشان داده‌اند که می‌توانند با استفاده از یک روبشگر MRI، از این نانوذرات درون بافت‌های زنده تصویربرداری کرده و رسیدن آنها به تومور و از بین بردن تومور را تماشا کنند.

با وجودی که این کار بیشتر شبیه داستان‌های علمی-تخیلی است، اما کاملاً کاربردی و عملی است. این کار بر یکی از روش‌های درمان سرطان به نام حرارت‌درمانی القاشده توسط لیزر (LITT) استوار است که از نور لیزر برای گرم کردن و از بین بردن تومورها بهره می‌برد. LITT بر این واقعیت استوار است که برخی ذرات همچون نانولوله‌های کربنی چنددیواره می‌توانند انرژی لیزر را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل کنند. اگر این نانوذرات درون تومور گرم شوند، تومور را سوزانده و از بین می‌برند.

با این حال مشکل LITT این است که با وجودی که امکان مشاهده تومور در روبش‌های پزشکی وجود دارد، نانوذرات در این روبش‌ها دیده نمی‌شوند. اگر نانوذرات را درون بدن بیمار تزریق نماییم، امکان ردگیری آنها وجود ندارد و این امر می‌تواند برای بیمار خطرناک باشد. زیرا اگر این ذرات درون بافت‌های سالم تجمع نمایند، گرم کردن آنها می‌تواند به از بین رفتن این بافت‌ها بیانجامد.

حال محققان دانشگاه Wake Forest برای اولین بار نشان داده‌اند که می‌توان نانوذراتِ قابل مشاهده در MRI تولید نموده و بدین ترتیب تصویربرداری و گرم کردن تومور را به طور همزمان انجام داد. با پُر کردن نانولوله‌های کربنی چنددیواره با آهن می‌توان آنها را با روبشگر MRI مشاهده کرد. آنها با استفاده از بافت‌های حاوی تومور موش نشان دادند که این نانولوله‌های حاوی آهن می‌توانند با بهره‌گیری از تابش لیزر تومورها را از بین ببرند.

ژوآن فنگ دینگ، یکی از پژوهشگران این کار می‌گوید: «یافتن محل دقیق نانوذرات در بدن انسان برای درمان بسیار مهم است. دیدن اینکه تومورهای نشان‌دار شده با نانولوله‌ها بعد از درمان کوچک‌تر شده‌اند، بسیار هیجان‌انگیز است».

اگر ثابت شود که این روش مفید است، شاید روزی به درمان بیماران سرطانی کمک کند، اما قبل از آن باید کارایی این روش در بررسی‌های بالینی به اثبات برسد.

 

نتایج این تحقیق در پنجاه و دومین همایش سالانه American Association of Physicists in Medicine در فیلادلفیا ارائه شده است.

تازه های فناوری نانو (4)

---

امروزه به یمن فناوری نانو، ذرات بسیار ریزی به نام نانو ذرات (nanoparticles) ساخته می‌شوند كه كاربردهای مختلفی در علوم و تحقیقات مهندسی و پزشكی دارند ، یکی ازكاربرد های این نانوذرات در شناسایی به موقع و درمان بیماری سرطان است.

---

دراین قسمت در ادامه قسمت های (1) و (2) و (3)  به تازه های فناوری نانو دردرمان سرطان می پردازیم.

نانو ذرات افق‌ تازه ای را جهت پیشگیری از سرطان و درمان آن به روی محققان گشوده است، بطوریكه در این راستا شاخه جدیدی تحت عنوان درمان مبتنی بر نانو ذرات (nanoparticles-based therapy) پدید آمده است. این ذرات نانویی كه در اشكال مختلف ساخته می شوند و در حوزه تحقیقات پزشكی علی الخصوص تحقیقات سرطان بسیار مورد توجه و كاربرد هستند. نانو ذرات در موارد مختلفی مثل رساندن دارو به سلول های تومور سرطانی، بیرون كشیدن عامل سرطانی از سلول زنده، حمله به سلول های سرطانی، بالا بردن حساسیت سلول‌های سرطانی برای تصویربرداری و مشاهده دقیقتر آنها كاربرد دارند.

 

كاربرد نانو ذرات در عمل

بر اساس آخرین اخبار منتشره از گروه نانو تكنولوژی موسسه ملی سرطان در آمریكا، به تازگی محققان دانشگاه Emory آتلانتا با كمك نانو ذرات چند منظوره (multifunctional) امكانی را برای تشخیص به موقع سرطان لوزالمعده یا پانكراس فراهم كردند. این در حالیست كه سرطان لوزالعمده از جمله سرطان‌هایی است كه اگر در مراحل پیشرفته (advanced stages) تشخیص داده شود معمولاً راه درمانی وجود ندارد و جراحی و شیمی درمانی كارساز نیستند (لازم به ذكر است كه به مرحله یا سطح بیماری سرطان در اصطلاح stage گفته می‌شود).

در این شیوه با چسبیدن نانو ذرات اكسید آهن به سلول سرطانی این سلول به راحتی توسط MRI قابل تشخیص و مشاهده است. با آزمایش موش‌هایی كه غده سرطانی درون بدنشان كاشته شده بود معلوم گردید كه می توان با دوربین‌های خاصی این نانو ذرات را كه طیف رنگی نزدیك به مادون قرمز داشتند مشاهده كرد.

دكتر نی (Dr. Nie) از این تیم تحقیق معتقد است كه این روش توانایی نانو ذرات را در تشخیص به موقع سرطان به اثبات می رساند و امید تازه ای در یافتن راه درمان تومورهای سرطانی به شمار می رود. وی همچنین بیان می كند كه این نانو ذرات می توانند برای شناسایی و محل یابی دقیق تومور پیش از جراحی، شناسایی حاشیه خطر اطراف تومور و پیگیری پاسخ به درمان بیمار پس از جراحی مورد استفاده قرار گیرند. به منظور درك بهتر این فناوری بد نیست بدانید كه این ذرات اكسید آهن دارای هسته ای هستند كه فقط 10 نانومتر قطر دارد و دارای روكشی از پلیمر هستند. مولكولی كه قدرت تشخیص بین سلولهای سرطانی لوزالمعده و سلولهای سالم آن را دارد یك پروتئین كوچك ایجاد شده توسط مهندسی ژنتیك است كه بر مبنای پروتئینی كه در بدن انسان است، طراحی شده است.

از سویی دیگر، دانشمندان آمریكایی موفق به ساخت و استفاده از نوعی نانو زنبور( nanobee) برای مقابله با تومورهای سرطانی شدند. در آزمایشی كه به روی تومورهای سرطانی سینه و پوست در موش‌ها انجام شد این نانو زنبورها تومورهای سرطانی را نیش زده و سم خود را وارد سلول می كنند.

این نانو‌زنبورها به گونه ای طراحی شده اند كه فقط سلول‌های سرطانی را هدف قرار می‌دهند و وارد آنها می شودند. به دلیل ساختار و اندازه بسیار كوچك این نانو ‌زنبورها، این ذرات از سوی گلبول‌های سفید به عنوان عامل مهاجم شناخته نشده و به آنها حمله نمی‌شود و این چیزیست كه محققان به دنبال آن هستند؛ یعنی روشی كه در طی آن فقط سلولهای سرطانی مورد حمله قرار گیرند و نابود شوند.

نانو زنبورها یكی از آخرین دستاوردهای علمی استفاده از فناوری نانو برای مقابله با بیماری‌ها و درمان آنها می‌باشد و محققان امید دارند ظرف چند سال آینده بطور گسترده ای مورد استفاده قرار گیرند.

از نانو‌ ذرات برای حمل دارو به درون سلول‌های سرطانی نیز استفاده می شود اما به دلیل اندازه بسیار ریز این ذرات، هر بار فقط میزان اندكی دارو را می توانند حمل كنند بنابراین لازم است تا میلیونها یا حتی میلیاردها از این ذرات برای انتقال دارو به محل دقیق سرطان مورد استفاده قرار گیرند و به این ترتیب مشكل رسیدن داروی ضد سرطان به محل مورد نظر برطرف می شود بدون آنكه سلولهای سالم تحت تأثیر قرار گیرند.

اخیراً با كاربرد طلا در نانو ذرات و ساخت نانو ذرات طلا (gold nanoparticles) موفق شده اند كه شناسایی سلول‌های سرطانی را بطور زود هنگام انجام دهند. همچنین حسگری از نانو ذرات طلا ساخته شده كه قادر است سرطان ریه را از طریق بازدم بیمار شناسایی نمایید كه در حال حاضر دقت این دستگاه كه به روی گروهی از افراد سالم و افراد مبتلا به سرطان آزمایش شده است 86 درصد می باشد.

درمان سرطان با استفاده از نانوذرات پلیمری

دانشمندان آمریکایی توانسته‌اند با استفاده از نانوذرات رهاکننده دارو، گامی جدید به سوی مبارزه با عود مجدد سرطان ریه بردارند. نانوذرات پلیمری آنها که بدون نشت هستند، تنها زمانی باز شده و محتوای خود را خالی می‌کنند که در محیط اسیدی درون سلول قرار بگیرند. این محققان نانوذرات تولیدی خود را درون بدن موجود زنده نیز آزمایش کرده‌اند.

این تیم میان‌رشته‌ای، نانوذراتی برای حمل داروی ضدسرطان پاکلیتکسل طراحی نموده و کارایی آنها را روی موش بررسی نموده‌اند. رفتار این نانوذرات با ورود به درون سلول از آبگریز به آبدوست تغییر یافته و این امر موجب رهایش دارو می‌شود.

گرینستاف از دانشگاه بوستون و رهبر این گروه پژوهشی می‌گوید: «چیزی که این نانوذرات را منحصر به فرد ساخته و آنها را از نانوذرات دیگر متمایز می‌کند این است که با ورود آنها به محیط اسیدی ملایم (pH=4 که در اندوزوم وجود دارد)، این نانوذرات متورم شده، آب را به درون خود کشیده و دارو را رها می‌کنند». او می‌افزاید این نانوذرات از 100 نانومتر به بیش از 1000 نانومتر انبساط یافته و به ساختاری بسیار شل شبیه پلیمر هیدروژلی تبدیل می شوند.

او ادامه می‌دهد: “نکته منحصر به فرد دیگر درباره این نانوذرات این است که دارو واقعاً در پاسخ به pH محیط رها می‌شود. بسیاری از سیستم‌های رهایش دارو نشت دارند”.

کنت سوسلیک از دانشگاه ایلینویز و متخصص نانوذرات می‌گوید: "این یک کاربرد بسیار جالب است و استفاده از تورم کنترل شده مواد پلیمری در پاسخ به pH محیط برای رهایش دارو یک ابتکار زیرکانه است. تا جایی که می‌دانم این اولین بار است که چنین کاری صورت می‌گیرد".

سرطان ریه سالانه 3/1 میلیون نفر را در سراسر جهان می‌کشد. گرینستاف می‌گوید پس از خارج کردن تومور از بدن با استفاده از جراحی، به دلیل وجود سلول‌های سرطانی باقیمانده در محل جراحی، 30 درصد احتمال بازگشت سرطان در عرض 5 سال وجود دارد. وی انتظار دارد درست پس از خارج کردن تومور از داخل بدن، این نانوذرات در محل تومور مورد استفاده قرار بگیرند.

این گروه تحقیقاتی توانستند با استفاده از مدل موش نشان دهند که تأثیر نانوذرات حاوی پاکلیتکسل از داروی خالص بیشتر است. گرینستاف می‌گوید هدف اصلی در سال 2009 انجام آزمایش‌های کامل سم‌شناسی روی پلیمر و سپس مطالعات ایمنی روی حیوانات بزرگ‌تر است.

 

استفاده از نانوالماس در درمان سرطان

مقاوم شدن در برابر داروهای شیمی‌درمانی دلیل شکست خوردن 90 درصد از سرطان‌های جابه‌جا شونده (متاستاز) است.غلبه بر این مشکل می‌تواند درمان سرطان را بهبود بخشد.

دین هو، استادیار مهندسی زیست‌پزشکی و مهندسی مکانیک در دانشگاه نورث وسترن بر این باور است که می‌توان از ذرات کوچک کربن که نانوالماس نامیده می‌شوند، به‌عنوان حامل‌های رسانشی موثر در درمان سرطان‌های مقاوم استفاده کرد.

هو و همکارانش در آزمایش‌های درون‌تنی که روی سرطان کبد و سینه انجام دادند، دریافتند که اگر دُزی از داروی شیمی‌درمانی را که در حالت عادی کشنده است، به این نانوالماس‌ها متصل نماییم، می‌تواند اندازه تومور را در موش‌ها تا حد زیادی کاهش دهد. در این حالت شانس زنده ماندن موجودات مبتلا افزایش یافته و هیچ اثر جانبی نامطلوبی روی بافت‌های دیگر مشاهده نمی‌شود.

این اولین باری است که از نانوالماس‌ها در درمان سرطان‌های مقاوم به دارو استفاده می‌شود. هو می‌گوید: “ما به این دلیل سرطان‌های مقاوم در برابر داروهای شیمی‌درمانی را برگزیدیم که این نوع از تومورها همچنان به‌عنوان یکی از مشکلات اصلی درمان سرطان محسوب شده و شانس زنده ماندن بیماران را کاهش می‌دهند”.

نانوالماس‌ها مواد مبتنی بر کربن با قطر بین 2 تا 8 نانومتر هستند. سطح هر نانوالماس حاوی گروه‌های عاملی مختلفی است که امکان اتصال ترکیبات مختلفی همچون داروهای شیمی‌درمانی را فراهم می‌آورد.

این پژوهشگران نانوالماس را برداشته و با استفاده از یک فرایند سنتزی مقیاس‌پذیر، داروی شیمی‌درمانی دوکسوروبیسین را به شکلی برگشت‌پذیر به سطح آن متصل نمودند. این امر رهایش پایدار این دارو را امکان‌پذیر می‌سازد.

هو و همکارانش از موش‌های مبتلا به سرطان کبد و سینه در تحقیقات خود استفاده کردند. در این سرطان‌های مقاوم دارو می‌تواند وارد تومور شود، اما به دلیل پاسخ ذاتی کبد و سینه بلافاصله از درون این بافت‌ها بیرون انداخته می‌شود.

آنها یک گروه از موش‌ها را با کمپلکس نانوالماس- دوکسوروبیسین و گروه دیگر را با داروی تنها تحت درمان قرار دادند. زمان باقی ماندن دارو در جریان گردش خون در موش‌هایی که با کمپلکس‌های نانوالماسی درمان شدند، 10 برابر بیشتر از موش‌هایی بود که با داروی تنها تحت درمان قرار گرفتند. به‌علاوه، زمان باقی ماندن دارو درون هر دو نوع تومور نیزافزایش قابل ملاحظه‌ای پیدا کرد. این مدت زمان طولانی ماندن دارو درون تومور بدین معناست که می‌توان از دُز پایین‌تری از دارو استفاده کرد و در نتیجه اثرات جانبی نامطلوب کاهش می‌یابد.

این محققان همچنین دریافتند که استفاده از کمپلکس‌های نانوالماسی موجب کاهش تعداد گلبول‌های سفید خون نمی‌شود که این امر در درمان سرطان بسیار مهم است.

 

*جزئیات این کار در مجله Science Translational Medicine منتشر شده است.

 

درادامه به بخشی دیگر از پژوهش های فناوری نانو در رابطه با سرطان می پردازیم.

تازه های فناوری نانو (3)

---

فناوری نانو می تواند در توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتی كه مقیاس نانومتری دارند به کار رود. تحقیق بر روی قطعات و ادوات بسیار كوچك كه خواصشان به خواص الكترونیكی این قطعات وابسته است و خواص الكتریكی آنها احتمالاً متأثر از حركت تعداد معدودی الكترون در طی عملكرد قطعه می‌باشد. این ادوات، سریع‌تر از ادوات بزرگتر عمل می‌كنند. در قسمت اول و دوم به بخشی از جدیدترین پژوهش های انجام شده در زمینه فناوری نانو پرداختیم،این بار به بیان تازه ترین پژوهش های انجام شده در زمینه ادوات وقطعات می پردازیم.

---

نمایش گرهای تماسی ساخته شده از کربن

نمایشگرهای تماسی به خاطر اینکه حاوی عناصر گران و کمیاب هستند، هنوز قیمت بالایی دارند. به همین دلیل پژوهشگران در مؤسسه آلمانی فرانهوفر تلاش می‌ کنند که از مواد خام تجدید پذ یر کم هزینه که در همه جا قابل دسترس هستند، نمایشگر تماسی جایگزینی بسازند. این نمایش گرهای تماسی جدید، حاوی نانولوله‌های کربنی هستند.

نمایشگرهای تماسی دارای الکترود نازک  ویفری ساخته شده از اکسید قلع ایندیوم (ITO) هستند که در زیر سطح شیشه‌ای نمایشگر قرار دارد. این ماده برای استفاده در نمایشگرهای تماسی تا حدی ایده‌آل است، زیرا در هدایت جریان‌های کوچک عالی است و اجازه می‌دهد که رنگ‌های نمایشگر بدون ممانعت عبور کنند. اما یک مشکل کوچک وجود دارد، مقادیر کمی از ایندیوم در جهان وجود دارد. سازندگان افزاره ‌های الکترونیکی بیم دارند که در دراز مدت وابسته به قیمت‌هایی شوند که تهیه‌کنندگان این ماده تعیین می‌ کنند.

بنابراین صنایع خصوصی علاقه زیادی دارند که جایگزینی برای اکسید قلع ایندیوم پیدا شود. اکنون پژوشگران مؤسسه فرانهوفر موفق شده‌ اند که برای این الکترودها، ماده ‌ی جدیدی استفاده کنند که همان کارایی اکسید قلع ایندیوم را دارد و علاوه بر آن بسیار ارزان‌ تر نیز است.

اجزاء ‌اصلی این ماده نانولوله‌های کربنی و پلیمرهای ارزان قیمت هستند. این ورقه الکترودی جدید از دو لایه تشکیل شده است. یکی از این لایه‌ها، حامل بار است که یک ورقه نازک ساخته شده از پلی‌ اتیلن ‌ترفتالات (PET)  ارزان ‌قیمت می ‌باشد. این پلیمر برای ساخت بطری ‌های پلاستیکی استفاده می ‌شود. سپس ترکیبی از پلیمرهای رسانا و نانولوله ‌های کربنی اضافه می‌ شود. این ترکیب به ‌صورت یک محلول به لایه ‌ی PET اضافه می ‌شود که بعد از خشک شدن، تشکیل یک فیلم نازک می ‌دهد.

در مقایسه با اکسید قلع ایندیوم، این ترکیبات پلیمری دوام چندانی ندارند، اما نانولوله‌های کربنی آنها را بادوام می ‌کنند.این پژوهشگران نتایج تحقیق خود را در کنفرانس و همایش بین‌ المللی فناوری ‌نانو در توکیو ارایه کردند.

 

ساخت اولین نانوپردازنده های قابل برنامه ریزی جهان

كاشی‌ ‌های نانوسیمی توانایی انجام کارهای منطقی و ریاضی را دارند و کاملاً مقیاس ‌پذیر می ‌باشند. مهندسان دانشگاه هاروارد اولین نانوپردازنده قابل برنامه‌ ریزی جهان را ساخته و به نمایش گذاشته‌ اند. نمونه اولیه این سیستم رایانه ‌ای جدید، بیانگر یک گام مهم در راستای ارتقای پیچیدگی مدارهای رایانه‌ ای است که می‌ توانند از مولفه‌ های نانومقیاسی سنتزی، آرایش یابند.

چارلز لایبر، از دانشگاه هاروارد و یكی از این محققان، می ‌گوید: "این کار نشان‌ دهنده یک پرش کوانتومی به سوی افزایش پیچیدگی و عملكرد مدارهای ساخته شده از روش ‌های پایین به بالا است و به ‌همین خاطر نشان می ‌دهد که این نمونه پایین به بالا، که با روشی که امروزه مدارهای تجاری از آن ساخته می ‌شود، متفاوت است، می‌ تواند در آینده در ساخت نانوریزپردازنده‌ها و سایر سیستم‌ های مجتمع مورد استفاده واقع شود".

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با رنگ مصنوعی از یک نانو پردازنده نانوسیمی قابل برنامه ریزی که روی طرحواره یک ساختا رمدارنانو ریز پردازنده قرار گرفته است.

 

این کار به خاطر پیشرفت‌ های انجام شده در طراحی و سنتز آجربناهای نانوسیمی امكان‌ پذیر شده است. اکنون این مولفه ‌های نانوسیمی نشان گر تکرارپذیری مورد نیاز برای ساخت مدارهای الکترونیکی عملكردی هستند و همچنین این کار را در اندازه ‌ها و موادی انجام می ‌دهند که انجام آنها با رهیافت‌ های بالا به پایین متداول بسیار مشکل است.

علاوه براین، این ساختار كاشی‌ كاری شده بسیار مقیاس‌ پذیر است و به‌ همین خاطر اجازه آرایش نانوریزپردازنده ‌های بزرگ ‌تر و با خواص عملكردی بیشتر را می ‌دهد. ویژگی دیگر این پیشرفت آن است که مدارهای موجود در این نانوپردازنده‌ها، با لحاظ کردن اندازه کوچک آنها، توان مصرفی بسیار کمی دارند. این به این دلیل است که سوئیج های ترانزیستوری آن ها «غیرفرار» هستند. این بدان معناست که برخلاف ترانزیستورهای موجود در مدارهای ریزرایانه ای متدوال، همین که این ترانزیستورهای نانوسیمی برنامه ‌ریزی شوند دیگر هیچ نیازی به توان الکتریکی اضافی برای نگهداری آنها نخواهد بود. این محققان نتایج خود را در مجله ‌ی Nature منتشر كرده ‌اند.

 

ساخت قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا

دانشمندان در دانشگاه منچستر قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا را تولید کرده اند. این میکروسکوپ می تواند به درک دلیل بسیاری از بیماری ها و ویروس ها کمک کند. این پژوهش گران میکروسکوپی ساخته اند که رکورد کوچک ترین اشیایی را که با چشم می توان دید، شکسته است و بر محدودیت تئوری میکروسکوپ های نوری غلبه کرده است.

تا قبل از این با میکروسکوپ نوری استاندارد فقط می توانستید اشیایی با اندازه های در حد یک میکرومتر را به وضوح ببینید اما اکنون پژوهشگران دانشگاه منچستر با ترکیب یک میکروسکوپ نوری با یک میکرو کره شفاف بنام نانوسکوپ میکروکره ای، می توانند اشیایی با اندازه هایی 20 برابر کوچک تر (50 نانومتر) را با نور طبیعی ببینند این دقت مافوق حد تئوری میکروسکوپ نوری است.رسیدن به این دقت بالای میکروسکوپ نوری بدین معنی است که این دانشمندان به طور بالقوه می توانند داخل سلول های بشری و ویروس های زنده را بررسی کنند و برای اولین بار آنچه که سبب این ویروس ها می شوند، را مشاهده کنند.

میکروسکوپ های کنونی که قابلیت بررسی اجسام ریز این چنینی را دارند، میکروسکوپ های الکترونی هستند که با آن ها بجای بررسی ساختار یک سلول فقط می توان سطح آن را مشاهده کرد و هیچ ابزاری وجود ندارد که بتوان با آن یک سلول زنده را مشاهده کرد.

این دانشمندان اکنون باور دارند که آن ها می توانند این میکروسکوپ را برای شناسایی تصاویر بسیار ریزتر در آینده استفاده کنند. از نظر تئوری در اندازه اشیایی که می توان با این روش جدید مشاهده کرد، هیچ محدودیتی وجود ندارد.این سیستم نانو تصویربرداری جدید بر گرفتن تصاویر مجازی میدان- نزدیک نوری ( که عاری از تفرق نوری هستند) و تقویت آن ها با استفاده از یک میکروکره استوار است. این میکروکره، ذره کروی ریزی است که به وسیله یک میکروسکوپ نوری استاندارد برزگ نمایی می شود.

این پژوهش گران جزییات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی  Nature Communications منتشر کرده اند.

تازه های فناوری نانو (3)

---

فناوری نانو می تواند در توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتی كه مقیاس نانومتری دارند به کار رود. تحقیق بر روی قطعات و ادوات بسیار كوچك كه خواصشان به خواص الكترونیكی این قطعات وابسته است و خواص الكتریكی آنها احتمالاً متأثر از حركت تعداد معدودی الكترون در طی عملكرد قطعه می‌باشد. این ادوات، سریع‌تر از ادوات بزرگتر عمل می‌كنند. در قسمت اول و دوم به بخشی از جدیدترین پژوهش های انجام شده در زمینه فناوری نانو پرداختیم،این بار به بیان تازه ترین پژوهش های انجام شده در زمینه ادوات وقطعات می پردازیم.

---

نمایش گرهای تماسی ساخته شده از کربن

نمایشگرهای تماسی به خاطر اینکه حاوی عناصر گران و کمیاب هستند، هنوز قیمت بالایی دارند. به همین دلیل پژوهشگران در مؤسسه آلمانی فرانهوفر تلاش می‌ کنند که از مواد خام تجدید پذ یر کم هزینه که در همه جا قابل دسترس هستند، نمایشگر تماسی جایگزینی بسازند. این نمایش گرهای تماسی جدید، حاوی نانولوله‌های کربنی هستند.

نمایشگرهای تماسی دارای الکترود نازک  ویفری ساخته شده از اکسید قلع ایندیوم (ITO) هستند که در زیر سطح شیشه‌ای نمایشگر قرار دارد. این ماده برای استفاده در نمایشگرهای تماسی تا حدی ایده‌آل است، زیرا در هدایت جریان‌های کوچک عالی است و اجازه می‌دهد که رنگ‌های نمایشگر بدون ممانعت عبور کنند. اما یک مشکل کوچک وجود دارد، مقادیر کمی از ایندیوم در جهان وجود دارد. سازندگان افزاره ‌های الکترونیکی بیم دارند که در دراز مدت وابسته به قیمت‌هایی شوند که تهیه‌کنندگان این ماده تعیین می‌ کنند.

بنابراین صنایع خصوصی علاقه زیادی دارند که جایگزینی برای اکسید قلع ایندیوم پیدا شود. اکنون پژوشگران مؤسسه فرانهوفر موفق شده‌ اند که برای این الکترودها، ماده ‌ی جدیدی استفاده کنند که همان کارایی اکسید قلع ایندیوم را دارد و علاوه بر آن بسیار ارزان‌ تر نیز است.

اجزاء ‌اصلی این ماده نانولوله‌های کربنی و پلیمرهای ارزان قیمت هستند. این ورقه الکترودی جدید از دو لایه تشکیل شده است. یکی از این لایه‌ها، حامل بار است که یک ورقه نازک ساخته شده از پلی‌ اتیلن ‌ترفتالات (PET)  ارزان ‌قیمت می ‌باشد. این پلیمر برای ساخت بطری ‌های پلاستیکی استفاده می ‌شود. سپس ترکیبی از پلیمرهای رسانا و نانولوله ‌های کربنی اضافه می‌ شود. این ترکیب به ‌صورت یک محلول به لایه ‌ی PET اضافه می ‌شود که بعد از خشک شدن، تشکیل یک فیلم نازک می ‌دهد.

در مقایسه با اکسید قلع ایندیوم، این ترکیبات پلیمری دوام چندانی ندارند، اما نانولوله‌های کربنی آنها را بادوام می ‌کنند.این پژوهشگران نتایج تحقیق خود را در کنفرانس و همایش بین‌ المللی فناوری ‌نانو در توکیو ارایه کردند.

 

ساخت اولین نانوپردازنده های قابل برنامه ریزی جهان

كاشی‌ ‌های نانوسیمی توانایی انجام کارهای منطقی و ریاضی را دارند و کاملاً مقیاس ‌پذیر می ‌باشند. مهندسان دانشگاه هاروارد اولین نانوپردازنده قابل برنامه‌ ریزی جهان را ساخته و به نمایش گذاشته‌ اند. نمونه اولیه این سیستم رایانه ‌ای جدید، بیانگر یک گام مهم در راستای ارتقای پیچیدگی مدارهای رایانه‌ ای است که می‌ توانند از مولفه‌ های نانومقیاسی سنتزی، آرایش یابند.

چارلز لایبر، از دانشگاه هاروارد و یكی از این محققان، می ‌گوید: "این کار نشان‌ دهنده یک پرش کوانتومی به سوی افزایش پیچیدگی و عملكرد مدارهای ساخته شده از روش ‌های پایین به بالا است و به ‌همین خاطر نشان می ‌دهد که این نمونه پایین به بالا، که با روشی که امروزه مدارهای تجاری از آن ساخته می ‌شود، متفاوت است، می‌ تواند در آینده در ساخت نانوریزپردازنده‌ها و سایر سیستم‌ های مجتمع مورد استفاده واقع شود".

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با رنگ مصنوعی از یک نانو پردازنده نانوسیمی قابل برنامه ریزی که روی طرحواره یک ساختا رمدارنانو ریز پردازنده قرار گرفته است.

 

این کار به خاطر پیشرفت‌ های انجام شده در طراحی و سنتز آجربناهای نانوسیمی امكان‌ پذیر شده است. اکنون این مولفه ‌های نانوسیمی نشان گر تکرارپذیری مورد نیاز برای ساخت مدارهای الکترونیکی عملكردی هستند و همچنین این کار را در اندازه ‌ها و موادی انجام می ‌دهند که انجام آنها با رهیافت‌ های بالا به پایین متداول بسیار مشکل است.

علاوه براین، این ساختار كاشی‌ كاری شده بسیار مقیاس‌ پذیر است و به‌ همین خاطر اجازه آرایش نانوریزپردازنده ‌های بزرگ ‌تر و با خواص عملكردی بیشتر را می ‌دهد. ویژگی دیگر این پیشرفت آن است که مدارهای موجود در این نانوپردازنده‌ها، با لحاظ کردن اندازه کوچک آنها، توان مصرفی بسیار کمی دارند. این به این دلیل است که سوئیج های ترانزیستوری آن ها «غیرفرار» هستند. این بدان معناست که برخلاف ترانزیستورهای موجود در مدارهای ریزرایانه ای متدوال، همین که این ترانزیستورهای نانوسیمی برنامه ‌ریزی شوند دیگر هیچ نیازی به توان الکتریکی اضافی برای نگهداری آنها نخواهد بود. این محققان نتایج خود را در مجله ‌ی Nature منتشر كرده ‌اند.

 

ساخت قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا

دانشمندان در دانشگاه منچستر قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا را تولید کرده اند. این میکروسکوپ می تواند به درک دلیل بسیاری از بیماری ها و ویروس ها کمک کند. این پژوهش گران میکروسکوپی ساخته اند که رکورد کوچک ترین اشیایی را که با چشم می توان دید، شکسته است و بر محدودیت تئوری میکروسکوپ های نوری غلبه کرده است.

تا قبل از این با میکروسکوپ نوری استاندارد فقط می توانستید اشیایی با اندازه های در حد یک میکرومتر را به وضوح ببینید اما اکنون پژوهشگران دانشگاه منچستر با ترکیب یک میکروسکوپ نوری با یک میکرو کره شفاف بنام نانوسکوپ میکروکره ای، می توانند اشیایی با اندازه هایی 20 برابر کوچک تر (50 نانومتر) را با نور طبیعی ببینند این دقت مافوق حد تئوری میکروسکوپ نوری است.رسیدن به این دقت بالای میکروسکوپ نوری بدین معنی است که این دانشمندان به طور بالقوه می توانند داخل سلول های بشری و ویروس های زنده را بررسی کنند و برای اولین بار آنچه که سبب این ویروس ها می شوند، را مشاهده کنند.

میکروسکوپ های کنونی که قابلیت بررسی اجسام ریز این چنینی را دارند، میکروسکوپ های الکترونی هستند که با آن ها بجای بررسی ساختار یک سلول فقط می توان سطح آن را مشاهده کرد و هیچ ابزاری وجود ندارد که بتوان با آن یک سلول زنده را مشاهده کرد.

این دانشمندان اکنون باور دارند که آن ها می توانند این میکروسکوپ را برای شناسایی تصاویر بسیار ریزتر در آینده استفاده کنند. از نظر تئوری در اندازه اشیایی که می توان با این روش جدید مشاهده کرد، هیچ محدودیتی وجود ندارد.این سیستم نانو تصویربرداری جدید بر گرفتن تصاویر مجازی میدان- نزدیک نوری ( که عاری از تفرق نوری هستند) و تقویت آن ها با استفاده از یک میکروکره استوار است. این میکروکره، ذره کروی ریزی است که به وسیله یک میکروسکوپ نوری استاندارد برزگ نمایی می شود.

این پژوهش گران جزییات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی  Nature Communications منتشر کرده اند.

تازه های فناوری نانو (2)

---

نانوتکنولوژی، فناوری نوظهورویکی از اجزای کلیدی پیشرفت های فنی قرن حاضر است.به کار گیری مواد باساختارهایی برپایه ی ابعاد نانومتری ما را به سمت توسعه وارائه  ی راه حل های نوید بخش برای تولید محصولات برتردر آینده وبکارگیری پژوهش های انجام شده در این حوزه  رهنمون می سازد. در قسمت اول به بیان چند نمونه از تازه ترین پژوهش های انجام شده در این حوزه پرداختیم ،در این قسمت نیز به یافته های جدید درزمینه باتریها می پردازیم .

---

گامی به سوی باتری‌های انعطاف‌پذیر

دانشمندانی از کره جنوبی فهمیده‌اند که با استفاده از نانوورقه‌های گرافنی، ساخت منابع تغذیه قابل خمش امکان‌پذیر خواهد بود. دیگر افزاره‌های الکترونیکی به مصارف خانگی یا ادارات محدود نیستند. ما با آنها مسافرت می‌کنیم، آنها را جابجا می‌کنیم و حتی آنها را می‌پوشیم. برای ساخت تجهیزاتی مانند نمایشگرهای لوله‌شونده و افزاره‌های قابل پوشیدن، منابع تغذیه‌ای که بخواهند آنها را تغذیه کنند نیز باید خیلی انعطاف‌پذیر باشند.

چالش اصلی برای توسعه یک منبع تغذیه واقعاً خمش‌پذیر به کمبود ماده‌ای مربوط می‌شود که هم دارای خاصیت انعطاف‌پذیری بالا و هم رسانایی الکترونیکی خوب باشد. پلیمرها به طور نوعی استفاده می‌شوند، ولی آنها در دماهای نسبتاً کم از بین می‌روند و همین امر باعث می‌شود که زیاد ایده‌آل نباشند.

 

کیسوک کانگ از موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره در دائجون و همکارانش با استفاده از یک الکترود هیبریدی گرافنی، باتری قابل شارژ انعطاف‌پذیری تولید كرده‌اند. کانگ می‌گوید که عملکرد این باتری امیدوارکننده است.

در این باتری، ماده کاتدی که در اینجا V2O5است، با استفاده از رسوب لیزر پالسی بر روی یک صفحه گرافنی رشد داده می‌شود و صفحه‌ای از گرافن پوشیده شده با لیتیوم نیز بعنوان آند استفاده می‌گردد. باتری بدست آمده سبک ‌وزن است و به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا مورد پیچش و خمش قرار گیرد.

كانگ توضیح می‌دهد كه این الکترود در مقایسه با الکترودهای غیرقابل انعطاف متداول، برای اکثر جوانب مربوط به خواص الکتروشیمیایی دارای عملکرد الکتروشیمیایی بهبود یافته‌ای است. برای مثال چگالی انرژی و توان بالاتر، و عمر چرخه بهتری دارد.

هیرویوکی نیشیده، متخصص پلیمرهای عملكردی و استفاده آنها در الکترونیک از دانشگاه واسدای ژاپن، می‌گوید: "نانوساختارهای گرادیانی ناشناخته هستند و رهیافت آنها در ساخت افزاره انعطاف‌پذیرِ لوله شونده دارای آتیه بسیار خوبی در نسل جدید ذخیره‌كننده‌های انرژی است".

کانگ امیدوار است که با استفاده از الکترولیت پلیمری یا حالت جامد بتواند این کار را جهت افزایش کارآیی این باتری و پایداری طولانی آن توسعه دهد. او معتقد است که با ترکیب این فناوری جدید با سایر مواد عملكردی می‌توان در کاربردهایی مانند کاتالیزورها، افزاره‌های فوتوولتایی و دیودهای نورگسیل آلی از آنها استفاده کرد.

این دانشمندان جزئیات نتایج كار تحقیقاتی خود را تحت عنوان "افزاره‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر مبتنی بر كاغذ گرافنی" در مجله‌ی Energy Environ. Sci. منتشر كرده‌اند.

 

باتری جدید از اختلاف شوری آب، برق تولید می‌کند

هنگامی که آب شیرین رودخانه‌ها داخل دریا وارد می‌شود، اختلاف غلظت نمک منجر به یک تغییر در انتروپی می‌شود. پژوهشگران در آمریکا با کمک فناوری‌نانو باتری ساخته‌اند که از اختلاف انتروپی، توان تولید می‌کند. پی‌چو و همکارانش با استفاده از الکترودهای نقره‌ای و نانومیله‌های دی‌اکسید منگنز، از این اختلاف انتروپی، انرژی را با راندمان 75درصد استخراج می‌کند.

چو می‌گوید که آنها نشان داده‌اند که این ایده را واقعا می‌توان عملی کرد. گروه تحقیقاتی چو تخمین می‌زند که اگر این فناوری در همه دریاهای جهان استفاده شود، انرژی تجدید‌پذیری برابر با بطور تقریبی 2 تریلیون وات (یعنی حدود 13 درصد مصرف کل جهان) تولید می‌کند.

با این باتری می‌توان از اختلاف انتروپی، توان تولید كرد

 

تولید توان بر اساس انتروپی قبلاً انجام شده است، اما بهترین روشی که امروزه استفاده می‌شود، جداسازی آب دریا و آب تازه با غشاء است که در آن یون‌ها در سرتاسر غشاء مهاجرت می‌کنند و جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. در روش این محققان، انرژی از اختلاف غلظت بین دو محلول با ذخیره کردن آن به صورت شیمیایی در باتری، استخراج می‌شود.

برت هامیلرز، رئیس گروه انرژی تجدیدپذیر در دانشگاه واگنینگن در هلند، می‌گوید:" مزیت بزرگ فناوری مذکور این است که آن نیاز به هیچ غشایی ندارد، اما به الکترودهایی با سطح ویژه بزرگ نیاز دارد." چو می‌گویدکه الکترود نانومیله‌ای آنها سطح ویژه بزرگی دارد. این باتری طی حرکت‌های یون‌های سدیم و کلر به داخل و خارج شبکه بلوری این الکترودها، انرژی را استخراج می‌کند.این باتری در آب دریا هنگامی که یون‌های کلر بوسیله الکترود نقره و یون‌های سدیم بوسیله الکترود دی‌اکسید منگنز گرفته می‌شوند، تخلیه می شود. این یون‌ها هنگامی که این باتری در آب تازه شارژ می‌شود، رها می‌شوند.

به دلیل غلظت یونی بالاتر در آب دریا، انرژی الکتریكی تخلیه‌شده بزرگ‌تر از انرژی مورد نیاز برای شارژ این باتری است. چو می‌گوید كه در حقیقت دلیل اینكه ما می‌توانیم این انرژی را بدست آوریم این است كه الكترولیت را تغییر می‌دهیم. در روش این پژوهشگران، هزینه‌ها به دلیل عدم نیاز به غشاء بسیار كم‌تر از دیگر روش‌ها است.

چو كه به دلیل راندمان بالای این باتری هیجان زده شده است، امید دارد كه با بهینه كردن مواد الكترودی، به راندمان بالاتری برسند. او می‌گوید: اگر ما دو الكترود را بهم نزدیك كنیم، فكر می‌كنم كه بتوانیم به راندمان حدود 85 درصد برسیم.

جزئیات نتایج این تحقیق در مجله‌ی Nano Letters منتشر شده است.

 

 نانو کامپوزیت جدید عملکرد باتری ها را بهبود می دهد

پژوهشگران در سنگاپور برای رفع مشکل تحلیل رفتن و كاهش ظرفیت باتری های یون لیتیوم بعد از تعداد زیادی چرخه شارژ - تخلیه، راهبرد جدیدی شرح داده اند. این راهبرد شامل استفاده از یک ماده نانوکامپوزیتی با ساختاری شبیه نخود فرنگی و پوسته شان است، که متشکل از نانوذرات اکسید کبالت((Co3O4 درج شده در الیاف کربنی است.

چپ: نانوذرات اکسید کبالت درج شده در الیاف کربنی

راست: نخودفرنگی وپوسته شان.این ساختار شبیه نخودفرنگی وپوسته شان ،طول عمر الکترودها در باتری های یون لیتیوم رابهبود می دهند

 

در باتری های یون لیتیوم، یو ن های لیتیوم طی فرآیندهای شارژ و تخلیه با تشکیل آلیاژ یا تبدیل شیمیایی، به طور تکراری وارد الکترو دها شده و از آنها خارج می شوند. این فرآینده ای تکراری سبب تحلیل تدریجی الکترودها شده و به طور برگشت ناپذیری عملکرد این باتری ها را بدتر می کند.

اکنون یو وانگ و همکارانش در A*STAR برای غلبه بر این مشکل یک راهبرد ظریف شرح داده اند.

اکسید کبالت یک ماده نویدبخش برای آندها در باتری های یون لیتیوم است؛ زیرا ظرفیت آن برای نگه داشتن یون ها بیشتر از ظرفیت مواد الکترودی مرسوم از قبیل قانع است به علاوه   Co3O4به آسانی به LiCoO3  که ماده ای است که اخیرا در کاتدهای تجاری استفاده می شود، تبدیل می شود.

این پژوهشگران با گرم کردن نانوتسمه های هیدرواکسید  کربنات کبالت روکش داده شده با لایه های گلوكز پلیمره شده، در یک اتمسفر بی اثر در 700 درجه سلسیوس و سپس در هوا در 250 درجه سلسیوس، ساختارهایی شبیه نخود فرنگی و پوسته شان تولید کردند. الکترودهای ساخته شده با این نانوکامپوزیت ذخیره لیتیوم و ماندگاری ظرفیت را افزایش دادند.

وانگ می گوید: «نانوذرات کبالت به عنوان مواد فعال برای ذخیره یو ن های لیتیوم عمل می کنند و الیاف کربنی این نانوذرات را از جمع شدن  و تخریب محافظت می کنند. این الیاف کربنی همچنین نقش هدایت الکترو ن ها از این نانوذرات را بازی می کنند».

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی ACS Nano منتشر کرده اند.

 

نسل جدیدی از باتری ها با کمک نانوماده جدید

 

پژوهشگران در موسسه پلی تکنیک رنسلار نوع کاملاً جدید از نانومواد ساخته اند که با استفاده از آن می توان نسل جدیدی از باتری های یون لیتیوم قابل شارژ پر توان برای خودروهای الکتریکی، لپ تاپ ها، تلفن های همراه و دیگر افزاره های قابل حمل ساخت.

 

این ماده جدید به دلیل شبیه بودن شکلش به مخروطی که یک گلوله بستنی شکل روی نوکش قرار دارد، نانو گلوله ی بستنی شکل نامیده می شود و می تواند سرعت های بی نهایت بالایی از شارژ و تخلیه را تحمل کند، در حالی که سرعت های بالای شارژ و تخلیه سبب می شوند که الکترودهای مرسوم استفاده شده در باتری های یون لیتیوم امروزی، به سرعت تحلیل رفته و شکسته شوند. دلیل این توانایی های نانوماده مذکور اندازه ساختار و ترکیب بی نظیرش است.

این گروه به رهبری نیخیل کوراکتار شرح داد که چگونه یک الکترود ساخته شده از این نانوماده می تواند با سرعت هایی حدود 40 تا 60 برابر بیشتر از آندهای باتری های مرسوم شارژ و تخلیه شود، در حالی که چگالی انرژی خود را در حد قابل قبولی حفظ کند.

تصویرمیکروسکوپ الکترونی پیمایشگراین نانو ماده جدید

 

نانو ماده این پژوهشگران متشکل از یک نانومیله کرینی (C) در انتها است که روی نوک آن لایه ای از آلومینیوم (AI) نانومقیاس و سپس گلوله ی بستنی شکل از سیلیکون (S) نانومقیاس قرار دارد. این ساختار انعطاف پذیر است و قادر است با سرعت های بسیار بالایی پذیرای یون های لیتیوم باشد و آنها را تخلیه کند، بدون آنکه صدمه ای ببیند ساختار قطعه قطعه ی این نانوماده اجازه می دهد که کرنش به تدریج از کرین انتهایی به لایه آلومینیومی و در نهایت به گلوله بستنی سیلیکونی انتقال یابد.

طبق گفته این پژوهشگران، از آنجایی که نانو ساختارها در مقایسه با مواد توده ای تمایل کمتری به ترک برداشتن دارند. اندازه نانو مقیاس این ماده حیاتی است.

 

جزییات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله ی Nano Letters منتشر شده است.

تازه های فناوری نانو (1)

---

فناوری نانو که از ان به عنوان "انقلاب صنعتی دوم" یاد می کنند بخشی از اینده نیست بلکه تمام اینده است وتمامی ابعا د زندگی ماراتحت تاثیر قرار خواهد داد ."حوزه نانو، به هیچ حوزه خاصی ازعلم تعلق ندارد،بلکه به همه متعلق است"این توصیف بی نهایت ومنحصر به فرد بودن فناوری نانورا میرساند.این فناوری به سرعت در بسیاری از جبهه ها درحال پیشرفت است.در این سری مطالب تازه ترین پژوهش های محققان را درزمینه ی فناوری نانو برای کاربردهای مختلف بازگو می کنیم.

---

کامپیوترهای فوق سریع با کمک نانومیله های پلاسمونیک

یک گروه بین ‌المللی از دانشمندان یک قدم به ساخت اجزاء نوری برای کامپیوترهای فوق سریع و سرویس‌ های اینترنت پرسرعت نزدیک‌ تر شده است.

انتقال اطلاعات با استفاده از پرتوهای نور به جای جریان ‌های الکتریکی برای ایجاد انقلابی در سرعت‌ های پردازش داده ‌ها توان بالقوه ‌ای دارد.

سرعت پردازش و انتقال اطلاعات، در صورت استفاده از پرتوهای نور بجای سیگنال ‌های الکتریکی به شدت افزایش خواهد یافت. اما تاکنون این کار انجام نشده است، زیرا چالشی که در این زمینه وجود دارد، این است پرتوهای نور در حین انتقال در سرتاسر یک ماده با همدیگر برهم ‌کنش ندارند.

این داشمندان با طراحی یک ماده مصنوعی جدید، این مشکل را حل کرده‌ اند. آنها نشان داده ‌اند که نانومیله ‌های طلای پلاسمونیکِ قرار گرفته در کنار همدیگر، موقعی که بوسیله یک پالس نوری کم انرژی مورد تابش قرار گیرند، یک تغییر گذار فوق سریع تولید می ‌کنند. این رفتار سویچینگ فوق سریع بواسطه جفت‌ شدگی قوی بین پلاسمون‌ های نانومیله می ‌باشد. پلاسمون‌ ها، پاسخ ‌های الکترون - آزاد جمعی فلزات هستند که در نتیجه برخورد نور رانده می ‌شوند.

عکس چپ: نانو میله های طلای پلاسمونیک ،

عکس راست: مد لینگ میدان پلاسمونیک جفت شده ومجزا.طبیعت غیر موضعی شده ی این میدان پلاسمونیک

مشخص است.

 

در حقیقت این ماده مصنوعی این امکان را فراهم می ‌کند که پرتوهای نور به طور مؤثری برهم ‌کنش داشته باشند و شدت را تغییر دهند و بنابراین اجازه می ‌دهد که پرتوی‌ های نور اطلاعات را با سرعت‌ های بسیار بالا مرتب کنند.

آناتولی زایاتس، یکی از این محققان، توضیح می ‌دهد: اگر ما قادر شویم که جریانی از نور را با همان روشی کنترل کنیم که جریانی از الکترون‌ ها را در تراشه‌ های کامپیوتری کنترل می‌ کنیم، می ‌توانیم نسل جدیدی از ماشین ‌های پردازش گر داده بسازیم که قابلیت این را دارند که مقادیر بسیار زیادی از اطلاعات را با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت کامپیوترهای مدرن پردازش کنند..

او اضافه می‌ کند: ماده جدیدی که ما ساخته‌ ایم (اغلب متاماده نامیده می ‌شود)، را می ‌توان در تراشه ‌های موجود جهت بهبود عملکردشان یک پارچه کرد، یا برای ساخت تراشه ‌های تمام نوری استفاده کرد و بنابراین انقلابی در سرعت پردازش داده ایجاد کرد. در حالی که هنوز چالش ‌های زیادی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد، پیش ‌بینی می ‌کنیم که در آینده این فناوری پر سرعت را بتوان برای مثال در کامپیوترهای شخصی، تلفن‌ های همراه، خودروها و هواپیماها بکار برد.

این محققان جزئیات نتایج خود را در مجله‌ Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند. 

 

تولید بافت ماهیچه با استفاده از موهای نانومقیاس

محققان دانشگاه منچستر کشف کرده‌اند که می‌توان از موهای زبر نانومقیاسی که از موجودات دریایی گرفته می‌شود، در تولید بافت ماهیچه‌ای انسانی بهره برد. آنها دریافته‌اند که سلولز گرفته شده از جانوران نیام‌دار دریایی که به‌نام آب‌دزدک دریایی نیز شناخته می‌شوند، می‌تواند بر رفتار سلول‌های ماهیچه‌ای اسکلتی در آزمایشگاه تأثیر بگذارد.

این نانوساختارها چندین هزار برابر کوچک‌تر از سلول‌های ماهیچه‌ای بوده و کوچک‌ترین ساختارهای فیزیکی شناخته‌شده‌ای هستند که موجب نظم سلولی می‌شوند. نظم و صف‌بندی سلول‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا بسیاری از بافت‌های بدن از جمله بافت ماهیچه، حاوی الیاف منظمی هستند که موجب استحکام و سفتی بافت می‌شوند.

سلولز یک پلی‌ساکارید است (زنجیره‌ای بلند از مولکول‌های قند متصل به‌هم) که به‌طور معمول در گیاهان یافت می‌شود و همچنین جزء اصلی کاغذ و الیاف خاصی همچون کتان به‌شمار می‌رود. این مولکول قبلاً در کاربردهای پزشکی مختلفی همچون پانسمان زخم به‌کار رفته است، اما این اولین بار است که از آن برای ایجاد بافت ماهیچه‌ای اسکلتی استفاده می‌شود.

موجودات نیام‌دار روی صخره‌ها وساختارهای مصنوعی که توسط بشر در نواحی ساحلی ایجاد شده‌اند، رشد می‌کنند. سلولز استخراج شده از این موجودات به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارد، برای ایجاد بافت ماهیچه‌ای بسیار مناسب است.

دکتر استفان ایچهورن و دکتر جولی گوف، اعضای هیئت علمی دانشگاه منچستر به‌همراه جیمز دوگان، دانشجوی دکترای این دانشگاه، به‌صورت شیمیایی سلولز این موجودات را به‌شکل موهای بسیار باریک نانومقیاس استخراج کردند. یک نانومتر یک میلیاردیم یک متر است و قطر این نانوساختارهای مومانند تنها یک دهم نانومتر است که بسیار باریک‌تر از قطر موی انسان است. زمانی که این نانوساختارها ردیف شده و به‌صورت موازی با یکدیگر قرار می‌گیرند، می‌توانند سلول‌های ماهیچه‌ای را به‌سرعت ردیف کرده و به‌هم متصل نمایند.

این روش ساده و نسبتاً سریع است و این امکان را برای دکترها فراهم می‌آورد که بتوانند به‌سرعت ساختارهای ردیف‌شده معمول از بافت ماهیچه‌ای اسکلتی تولید نمایند. از این بافت می‌توان برای ترمیم ماهیچه موجود و یا ایجاد یک ماهیچه کاملاً جدید بهره برد. تولید بافت مصنوعی که بتواند جایگزین ماهیچه آسیب‌دیده انسان شود، می‌تواند تحولی در زمینه پزشکی ایجاد کرده و میلیون‌ها انسان را در سرتاسر جهان منتفع سازد.

جزئیات این تحقیق در مجله Biomacromolecules منتشر شده است.

 

نانوذرات ،مرهم زخم را در برابر عرق مقاوم می کنند

دانشمندان فرانسوی یک ماده چسبناک متشکل از یک هیدروژل پر شده از نانوذرات ساخته اند. که آن را می توان برای تولید مرهم های زخمی استفاده کرد که موقعی که بدن عرق می کند، از روی آن جدا نمی شوند. این دانشمندان ادعا می کنند که این ماده را حتی برای دارورسانی از طریق پوست نیز می توان استفاده کرد.مرهم های رایج زخم در حضور آب (که جزء اصلی عرق است)، توانایی خود را در چسبیدن به پوست از دست می دهند. اکنون دانشمندان در فرانسه برای غلبه بر این مشکل مواد چسبنده ای بر اساس هیدروژل ها ساخته اند. هیدروژل ها حاوی مقدار زیادی آب هستند که به آن ها اجازه می دهد که آب اضافی از عرق را جذب کنند، با این حال خواص مکانیکی شان از قبیل آلاستیسیته اغلب ضعیف است.

این پژوهشگران برای بهبود خواص مکانیکی و القاء چسبندگی حساس به فشار، هیدروژل ها را با نانوذرات ساخته شده از پلی استایرن پر کردند. در حالت چسبندگی حساس به فشار، موقعی که فشار اعمال می شود، ماده چسبنده با سطح پیوند تشکیل می دهد و به آن می چسبد کریستوف دریل، یکی از این پژوهشگران، توضیح می دهد: بین خواص [جریان] رئولوژیکی ژل ها و خواص چسبندگی شان رابطه ای وجود دارد. نانوذرات می توانند رفتار رئولوژیکی از ثابت نگه دارند، حتی اگر ژل مقداری زیادی از سیال را جذب کند.

توضیح: پر کردن هیدروژل ها با نانوذرات،چسبندگی انها را بهبود داده وخواص مکانیکی شان را افزایش می دهد.

 

این گروه تحقیقاتی متوجه شد که یک ترکیب هیدروژلی متشکل از پل آکریلامید و پلی (آکرپلامید- هیدروکسی اتیل متاکربلات) بهترین مقاومت مکانیکی و چسبندگی را دارد. موقعی که آن ها این ماده ی هیدروژلی را روی پوست مصنوعی ساخته شده از اجزاء چربی دار اضافه شده به پروتئین، امتحان کردند، مشاهده کردند که این ماده به آسانی از این پوست جدا شد این خاصیت برای کاربردهای تماس پوستی مهم است.

این پژوهشگران جزییات نتایج کار خود را در مجله ی soft matter منتشر کرده اند.

ایران رگ مصنوعی ساخت

پژوهشگران یك مركز تحقیقاتی خصوصی زیست فن آوری کشورمان برای نخستین بار با بهره گیری از تکنیک های نانو فن آوری و مهندسی بافت، موفق به تولید نوعی رگ مصنوعی با ویژگی های منحصر به فرد شدند که به گفته محققان با توجه به پیشرفت های فزاینده در زمینه سلول های بنیادی امید می رود نتایج این طرح در آینده ای نزدیک در جهت کمک به بیماران نیازمند به پیوند عروق قابل استفاده باشد.

به گزارش خبرنگار «پژوهشی» خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، دكتر مهران كفاش، معاون مركز تحقیقاتی بن یاخته در این زمینه اظهار كرد: ما به عنوان نخستین مركز در کشور موفق به تولید رگ مصنوعی نانو ساختار شدیم كه نمونه اولیه آن حدود 9 ماه پیش در گردن یك گوسفند پیوند زده شد كه بر اساس آخرین اكوی گرفته شده، این رگ همچنان به عملكرد طبیعی خود ادامه می‌دهد.

وی با اشاره به همکاری محققان دانشگاه علوم پزشکی تهران در بخشی از این طرح (مرحله پیوند رگ) افزود: این مركز با هدف ارائه تحقیقات در حوزه علوم نوین و دستیابی به محصولات كاربردی جهت درمان بافت های آسیب دیده، با جذب نخبگان علمی و صنعتی از حوزه های علوم پایه، فنی و مهندسی و پزشكی و نیز ورود به فن آوری های نو از جمله نانوتكنولوژی و بیولوژی سلولهای بنیادی به عنوان اولین مركز خصوصی فعالیت خود را از سال 84 در حوزه مهندسی بافت و علوم نوین آغاز كرد.

محققان این مرکز سال گذشته نیز با بهره گیری از تكنیك‌های مهندسی بافت و تولید بسترهای نانومتری زیست تخریب پذیر، موفق به كشت و تكثیر سلول‌های بنیادی و تولید بافت پوستی به منظور بازسازی آسیب‌های پوستی شده بودند.

منبع : ایسنا

آشنایی با جعبه سیاه هواپیماها(FDR)

---

با بروز هر سانحه‌ای برای یک هواپیما سوالات زیادی در مورد علت سقوط هواپیما مطرح می‌شود. پاسخ به این سوالات به کمک سیستم‌های FDR و CVR که در مجموع جعبه سیاه نامیده می‌شود، انجام می‌گیرد. این سیستم‌ها که هر یک قیمتی بین 10 تا 15 هزار دلار دارند، جزئیات پرواز را در طول پرواز ضبط می‌کنند.

---

سانحه های هوایی معمولا دارای بازتاب جهانی بوده با توجه به وجود سوخت قابل اشتعال، سرعت و ارتفاع زیاد در سوانح صدمه زیادی به هواپیما و مسافرین وارد می شود که همین امر بررسی سوانح و علت یابی را مشکل و در بعضی اوقات غیر ممکن می سازد. بر این اساس سازمان های بین المللی هوانوردی برای حل این مشکل تصمیم به نصب دستگاه هایی گرفتند تا اطلاعات پروازی قسمت های مختلف هواپیما در آن ضبط و نگهداری گردد تا در صورت نیاز از اطلاعات آن جهت بررسی و یافتن علت حوادث استفاده شده و سپس با انجام اقدامات اصلاحی از سوانح بعدی جلوگیری به عمل آید.

سازمان های هوایی بین المللی با اعمال استانداردهای اجباری جهت استفاده از سامانه های جدید ایمنی، ناوبری ماهواره ای، سامانه های جلوگیری از برخورد هواپیما با هواپیما و هواپیما با زمین و ده ها سامانه دیگر سوانح را به حداقل رسانیده اند.

در انواع اولیه این سامانه با نصب چند حسگر در قسمت های مختلف و همچنین دریافت سیگنال از برخی سامانه های هواپیما اطلاعات جمع آوری شده جهت ضبط به جعبه سیاه هواپیماها(FDR) ارسال می شود.

این اطلاعات عبارت است از مقدار فشار پیتوت و استاتیک ( از روی این دو می توان سرعت، ارتفاع و سرعت عمودی را محاسبه کرد)، جهت پرواز هواپیما، شتاب های افقی، عرضی و عمودی وارده به هواپیما که توسط شتاب سنج حس می شد در یک نوار آلومینیومی ضد حریق و در برخی انواع جدیدتردر حافظه الکترونیکی ضبط می گردیدند.

این سامانه در کابین خلبان دارای یک پنل کنترل است که می توان تاریخ و شماره پرواز را از روی آن وارد نمود تا معلوم شود اطلاعات ضبط شده مربوط به کدام پرواز می باشد، چراغی نیز در این پنل قرار داده شده تا در صورت بروز خرابی در جعبه سیاه روشن گردد و خلبان را مطلع سازد.

با پیشرفت علوم و ساخته شدن هواپیماهای مدرن نصب سامانه DFDR که نوع دیجیتالی آن است اجباری گردید که در این نوع تعداد زیادی حسگر در قسمت های مختلف هواپیما نصب و اطلاعات موقعیت فرامین، روشن / خاموش بودن برخی سامانه ها، پارامترهای موتور و ... که می تواند این اطلاعات بصورت آنالوگ، دیجیتال و ... باشد به دستگاه واسطه ای به نام F.D.A.U که در شکل زیر آمده داده می شود. وظیفه این قسمت تبدیل این اطلاعات به فرمت دیجیتال و سپس قرار دادن آنها به صورت سریال و ارسال آنها توسط یک خط انتقال به DFDR جهت ضبط می باشد. اطلاعات ضبط شده در DFDR بسیار وسیع بوده و قابل بازخوانی و تفسیر توسط دستگاه های موجود در سازمان های ذیربط می باشد.

 

 DFDR در قسمت دم هواپیما که معمولا در سوانح صدمه کمتری می بیند نصب می گردد که قسمتی از آن حافظه دستگاه است که ضد حریق و ضد ضربه می باشد و قادر است اطلاعات 25 ساعت آخر پرواز را در خود نگه دارد، اطلاعات جدید روی اطلاعات قبلی ضبط می گردد. در این نوع در برخی هواپیماها داخل کابین خلبان یک پنل موجود است که می توان ضمن وارد کردن شماره پرواز و تاریخ از خرابی های مختلف با روشن شدن چراغ زرد مخصوص هر یک آگاه شد. در هواپیماهای مدرن پنل فوق وجود نداشته و اطلاعات ورودی به صورت خودکار از طریق سامانه های مخصوص وارد می شود و در صورت خرابی سامانه نیز به جای چراغ از پیغام های نوشتاری در نشان دهنده های مرکزی جهت اطلاع به خلبان استفاده می شود.

جعبه سیاه هواپیماها طوری طراحی شده می گردد تا با روشن شدن موتور به صورت خودکار به کار بیفتد، در برخی موارد از روی پنل قبل از روشن شدن موتور نیز می توان آنرا فعال نمود.

نکات مهم :

1. جهت بازخوانی اطلاعات ضبط شده، جعبه سیاه از هواپیما باز و به مراکزی که به همین منظور بوجود آمده ارسال می گردد که سخت افزار بازخوانی و نرم افزار بررسی اطلاعات و تفسیر در آنجا موجود می باشد.

2. بر عکس نام معروف آن (جعبه سیاه) رنگ این جعبه نارنجی بوده و با داشتن نوارهای شب نمای سفید یافتن آن در روز و شب آسان تر می گردد.

تسلیحات انرژی جنبشی

---

یك شكافنده انرژی جنبشی (كه به نام اسلحه KE نیز شناخته میشود) نوعی مهمات مانند یك فشنگ است كه ماده منفجره ای ندارد و از انرژی جنبشی برای شكافتن هدف استفاده میكند.

---

این شرایط را میتوان به هر نوع سلاح شكافنده زره تعمیم داد ولی معمولا به نوع مدرن این سلاحها اشاره دارد مانند

armor-piercing fin-stabilized dicarding sabot كه به اختصار APFSDS نامیده میشود و به نوع بلند شكافنده میگویند و برای فشنگهای كوچك استفاده نمیشود.

تكنیك مقابل این شكافنده ها، شكافنده های شیمیایی هستند.

دونوع شكافنده شیمیایی در حال استفاده وجود دارد

1- ضد زره انفجار قوی (HEAT)

2- ضد زره سر خرد شونده (HESH)

 

این شكافنده ها در گذشته به صورت گسترده در برابر زره ها استفاده میشد و هنوز هم در این زمینه كار میكند ولی این شكافنده در مقابل زره های چند سازه ای مدرن مانند Chobham كه در تانكهای امروزی استفاده میشوند كم اثر ترند.

اصل كلی در شكافنده انرژی جنبشی آن است كه از انرژی جنبشی خود كه معادله ای بین جرم و سرعت است برای شكافتن زره استفاده میكند.

 

قدرت تخریب اسلحه های KE مدرن بوسیله موارد زیر به حداكثر رسیده است :

1- شلیك با سرعت بسیار بالا؛ جرم موشك با سرعت مبادله میشود و افزایش انرژی جنبشی با مربع سرعت صورت میگیرد.

2- تمركز نیرو بر یك ناحیه كوچك در حالی كه رابطه با جرم زیاد حفظ میشود.

3- به حداكثر رساندن جرم در فضای اشغال شده توسط موشك ولو آنكه كوچك باشد كه برای این منظور از فلزهای سنگین مانند اورانیوم غنی شده استفاده میشود.

تاریخچه

تولید تسلیحات KE از دو صورت طراحی توپخانه تركیب میشود؛ سرعت بسیار بالای مازل و نیروی متمركز شده. سرعت بالا بوسیله استفاده موشك با پایه كم جرم و سطح مقطع بزرگ در پرتابگر بدست می آید.شلیك یك موشك كوچك كه در یك پوسته كم وزن خارجی قرار داشته باشد sabot نامیده میشود كه باعث افزایش سرعت میگردد. پس از بیرون آمدن موشك از پرتابگر دیگر نیازی به sabot نمیباشد و از آن جدا میشود.

آلمان در جنگ جهانی دوم برای بالاتر بردن برد تسلیحات ضد هوایی خود تحت نام Treibspiegel از Sabot استفاده می كرد.

پیش از آن از نمونه چوبی آن در بین پرتاب كننده و موشك استفاده میشد. sabot یك لعت فرانسوی است كه نام نوعی كفش چوبی است كه در بعضی از كشورهای اروپایی استفاده می شده است.

تمركز نیرو در یك ناحیه كوچك با جایگزینی فلز تك كه معمولا استیل است با نوعی آلیاژ كه از دو نوع فلز تشكیل شده است (هسته تنگستن و پوسته از یك فلز سبكتر) بدست می آید.

این طراحی به عنوان شكافنده زره چند سازه جامد شناخته میشود. هسته در این نوع طراحی در زمان برخورد تاثیر بیشتری نسبت به سری از همان نوع و اندازه فلز ام به صورت پهن تر دارد.( گرچه مقاومت هوا و دیگر مقاومت ها برای پوسته با سایز یكسان برابر است).

بین سالهای 1941 و 1943، بریتانیا دو تكنیك را در APDS تركیب كرد. sabot با پوسته فلزی بیرونی APCR(چند سازه جامد) جایگزین شد كه در زمان پرتاب سطح مقطع بزرگی را برای بدست آوردن حداكثر شتاب در اختیار می گذاشت.

 

طراحی مدرن

APDS پایه طراحی تسلیحات KE است. پیشرفتهای منطقی برای بلندتر كردن و كوچك كردن سطح مقطع برخورد انجام شد گرچه طول زیاد و نازك از نظر آیرودینامیكی ناپایدار است و با تكانهای شدید مواجه میشود كه نتیجه آن دقت پایین است.معمولا برای جلوگیری از این منظور پوسته ها بوسیله به چرخش در آوردن موشك حول محور خودش به آن پایداری میبخشند كه به جز موارد معدودی این روش كارآمد است.

این كار شامل اضافه كردن پره مانند آنچه در تیرو كمان وجو دارد مشود كه APFSDS نیز یك موشك ثبات بویله پره است.

اشكال این روش در آن است كه گردش از انرژی جنبشی خطی كم میكند، چون مقداری از این انرژی به انرژی جنبشی گردشی تبدیل شده است و باعث كم شدن اثر برخورد میشود. این تسلیحات معمولا از پرتابگرهای بدون خان پرتاب میشوند؛ كاری كه آلمان، روسیه، امریكا، فرانسه و چین در تانكهایشان انجام میدهند. البته امكان شلیك از پرتابگرهای خان دار نیز وجود دارد.

شكافنده های KE برای تانكها مدرن معمولا فقط 2 تا 3 سانتیمتر قطر و 50 الی 60 سانتیمتر طول دارند؛ با تولید شكافنده مدرن تر، طول آنها در حال افزایش و قطر آنها در حال كاهش است.

برای به حداكثر رساندن انرژی جنبشی شكافنده باید از فلزات سنگین مانند تنگستن یا اورانیو غنی شده ساخته شوند. سختی شكافنده اهمیت كمتری دارد ولی همچنان یكی از فاكتورها نفوذ در مكانیزم نابودی است به همین خاطر از آنجاییكه اورانیوم به خودی خود سخت نیست از آلیاژ آن با نیكل و/یا روی استفاده می شود.

منفعت دیگر استفاده از اورانیوم آتش زا بودن آن است؛ قطعات گرم شده شكافنده بعد از برخورد با شكافنده در تماس با هوا مشتعل میشوند. علاوه بر آن شكافنده های اورانیومی حالت مهم زنجیره برشی عایق گرما به خود میگیرد كه در زمان برخورد شكستگیهای این زنجیره باعث شكافتن و پوساندن مداوم ماده میشود. فرسایش حالت مخروطی دارد ولی در دیگر فلزات مانند تنگستن حالتی به نام قارچی بوجود می آید.

كشورهای معدودی از اورانیوم غنی شده كه هزینه تمام شده آن نسبت به تنگستن كمتر است استفاده میكنند كه دلیل آن ضرر محیطی و سلامتی است و همچنینی برای استفاده از این تسلیحات كشورها باید برنامه غنی سازی فعال داشته باشند.

استفاده از این تسلیحات در میادین جنگ و باقی ماندن آنها در خوروهای جنگی و تاثیر تشعشعات آن برای سلامتی عمومی قابل توجه است.

سرعت APFSDS ها برا اساس طول و نوع آن فرق میكند ولی نمونه معمول آن KEW-A1 ساخت جنرال داینامیكس سرعتی معادل 1740 متر بر ثانیه دارد.

سرعت APFSDS ها بین 1400 تا 1850 متر بر ثانیه متغیر است. sabot نیز با این سرعت بالا حركت میكند تا جدا شود و ممكن است صدها متر را به همین شكل بپیماید و برای وسایل نقلیه سبك و سربازان مهلك باشد.

CKEM

در دهه 80 ارتش امریكا در پی جایگزینی تكنولوژی های مربوط به سیستمهای سنگین ضد تانك بود و در سال 1990 لاكهید مارتین آزمایشات پروازی موشك انرژی جنبشی را انجام داد و قراردادی برای تولید KEM بسته شد. در سال 1997 و در پی ACTD(برنامه نمایش تكنولوژیهای پیشرفته) ارتش امریكا قراردادی را برای تولید 12 وسیله نقلیه و 144 موشك انرژی جنبشی با لاكهید مارتین بست.

در سال 1999 ارتش امریكا برنامه ای تحت عنوان CKEM (موشك انرژی جنبشی فشرده) برای نسل آینده سلاحهای ضد تانك آغاز كرد.

پروژه LOSAT تحت برنامه MGM-166 KEM توسط لاكهید مارتین آغاز شد و 12 واحد آن در اكتبر 2002 تحویل شد و در صحرایی در New Mexico آزمایشات خود را آغاز كرد.

 

برخی از مشخصات احتمالی موشك CKEM

1 متر طول

2  كیلوگرم وزن

3 تا 8 كیلومتر برد

بیش از 6 ماخ سرعت

 موتور سوخت جامد

پس از سه سال آزمایش این موشك توانست در فوریه 2007 یك تانك T-72 با زره تقویت شده واكنش گر را نابود كند.

 

HATM

تیمی با رهبری شركت ریتون در راستای برنامه CKEM و نمایش و ارائه تكنولوژیهای مورد نیاز برای آن به تولید یك سلاح ضد تانك مافوق صوت پرداختند.

موشك غیر قابل هدایت HATM در آگوست 2002 اولین آزمایش خود را انجام داد.

این موشك توانایی شلیك از ITAS ساخت ریتون و پرتابگرهای موشك BGM-71 TOW را دارد. این پرتابگرها بر روی هاموی نصب می شود.

این موشكها بیش از 6 ماخ سرعت دارند و بوسیله پره های گردشی از لحاظ آیرودینامیكی تثبیت شده است.

دومین پرتاب آن در نوامبر 2002 انجام شد و با موفقیت مرحله جدا شدن Sabot را انجام داد.

توانایی انهدام بالا و دارا بودن سرعت بسیار بالا و همچنین قابلیت اعتماد و هزینه كمتر باعث شد كه این موشكها صرفا به عنوان ضد زره به كار نروند و آژانس دفاع موشكی امریكا پروژه ای را تحت عنوان رهگیر انرژی جنبشی با قابلیت پرتاب از زمین و دریا برای نابود كردن موشكهای بالستیك را به نورث روپ گرومن بدهد.

این رهگیر، آنطور كه انتظار میرود قرار است بر ضد موشكهای بالستیك برد بلند و برد متوسط در تمام فازهای پروازی استفاده شود.

KEI  در ابتدا برای هدف قرار دادن موشك در فاز بوست یعنی درست بعد از شلیك طراحی شده بود. در این فاز موقعیت موشك قابل پیش بینی است و منحرف كننده هانیز نمیتوانند استفاده شوند. به هر جهت اوخر MDA اعلام كرده است كه KEI توانایی هدف قرار دادن موشكهای بالستیك در فاز میانی و فاز پایانی را نیز خواهد داشت.

KEI چگونه كار میكند

این سیستم شامل پرتابگرهای زمین پایه و پرتابگرهای دریا پایه است كه در ناوشكنهای نیروی دریایی و احتمالا قسمتی از برنامه Aegis میباشد كه پس از تكمیل این سیتم قادر است اهداف را در 5 دقیقه اول پروازشان نابود كند.

هر پرتابگر زمین پایه دو موشك را حمل میكند و هر سیستم آتشبار آن شامل 5 پرتابگر است كه با هواپیماهایی مانند C-17 قابل حمل است.

یك سیستم C2BMC (فرماندهای و كنترل و مدیریت جنگ و ارتباطات) كه شامل 6 هاموی است با این سیستم در ارتباط است و از آنجاییكه KEI رادار و سنسورهای خود را ندارد C2BMC از دیگر سیستمهای برنامه BMD مانند رادار جاسوسی AN/SPY-1 و ردیاب و شناسایی فضاپایه (STSS) و یا دیگر رادارهای X-Band دریا پایه استفاده می كند.

هنگامیكه یك موشك بالستیك شلیك شود، ابتدا توسط سنسورهای ماهواره ای شناسایی میشود و اطلاعات به C2BMC فرستاده میشود، سپس رادار AN/SPY-1 شناسایی و ردیابی را برعهده میگیرد و رهگیر شلیك میشود، سپس رادار پیش اخطار Cobra Dane ردیابی هدف را تصحیح میكند، وسیله كشتن ماوراجو یا EKV ساخت ریتون از موشك جدا میشود، هدف را ردیاب میكند و اطلاعات خود را با َAegis SPY-1 به روز رسانی و تصحیح میكند و در نهایت با استفاده از انرژی جنبشی حاصل از برخورد هدف را كاملا نابود میكند.

هر كشوری كه توانایی تولید سلاح های تخریب سنگین را دارد مسلما توانایی تولید منحرف كننده ها را دارد، سرجنگی تنها شی نیست كه از یك موشك جدا میشود، منحرف كننده هایی نیز وجود دارند كه EKV را در پردازش گیج میكند، ساده ترین و موثرترین منحرف كننده ها بالونهای میلر هستند، سر جنگی نیز میتواند درون این بالونها قرار گیرد و از آجایی كه هیچ نیروی كششی در بالای جو وجود ندارد بالونها هم مانند هر شی دیگری پرواز می كنند.

تشخیص بالون پر از خالی نیز در بیرون جوبسیار مشكل است، ولی برنامه نویسان ردیاب EKV توانسته اند با DOD در عمل یك بالون خالی از پر و یك منحرف كننده از سرجنگی را تشخیص دهند؛ از روی شكل، روشنی و ...

ولی چیزی كه آژانس را نگران میكند این است كه قرار دادن یك بالون میلر اضافی فقط چند هزار چوب آب میخورد ولی هر EKV در حال حاضر 100 میلیون دلار ارزش دارد و بخاطر همین مورد است كه برای اطمینان از اینكه در تشخیص منحرف كننده از سر جنگی اشتباه نشده است ما نمیتوانیم چند هزار EKV آماده شلیك در هر لحظه داشته باشیم و برای همین آژانس بدنبال پروژه هایی نیز هست كه بتواند موشك را در فاز پایانی هدف قرار دهد (مانند سیستمهای لیزری).

هر موشك KEI 36 فوت طول و 36 اینچ عرض دارد و 2.5 تا 3 برابر سرعت میانگین معمول موشكهای بالستیك میتواند پرواز كند و همین آن را سریعترین در نوع خود میكند، برای رسیدن به این سرعت، مراحل اول و دوم فاز بوست در مدت 60 ثانیه با هم میسوزند و سرعت آن را به 6 كیلومتر در ثانیه می رسانند.

معرفی نقاط کوانتومی ،روش های سنتزوکاربرد هایش (2)

---

نقاط کوانتومی به علت ویژگی های منحصر به فردشان مثل پایداری نوری بالا،طیف نشری باریک ،طیف جذبی پهن ،درخشندگی نوری بالاوپایداری شیمیایی به طوروسیعی درسال های اخیر توجه محققین رابه خود جلب کرده اند.خصوصیات نوری آن ها وابسته به اندازه  بوده وبه راحتی قابل تنظیم می باشد.ازنقاط کوانتومی درتحقیقات پزشکی وزیستی ، ابزارهای نشرنور،کامپیوترهای کوانتومی ،برچسب های بیولوژیکی ،سلول های خورشیدی و...استفاده  می کنند.در قسمت اول به معرفی نقاط کوانتومی ،بررسی خواص وانواع مختلف نقاط کوانتومی پرداختیم ،دراین قسمت روش های سنتزوکاربرد های نقاط کوانتومی رابیان می کنیم.

---

روشهای ساخت نقاط کوانتومی

برای ساختن نقاط کوانتومی میتوان هم از روشهای بالا به پایین و هم از روشهای پایین به بالا استفاده کرد.مزیت استفاده از روشهای پایین به بالا امکان تولید انبوه و ارزان نقاط کوانتومی را ایجاد می کند و مزیت استفاده از روشهای بالا به پایین امکان کنترل بیشتر محل این نانوذرات و جاسازی آنها درون مدارهای الکترونیکی یا ابزارهای آزمایش می باشد.

بطور کلی روشهای سنتز نقاط کوانتومی شامل

1. سنتز کلوئیدی

2.  فراوری

3. خود آرایی ویروسی

4. خود آرایی الکترو شیمیایی

5. نقاط کوانتومی بدون کادمیوم

سنتزکلوییدی

در سنتز کلوئیدی نمکهای فلزی به صورت محلول تحت شرایط کنترل شده،به حالت بلوری در می آیند. سنتزنقاط کوانتومی کلوئیدی در سیستمی سه جزئی متشکل از پیش سازها،سورفکتانت آلی وحلال(سورفکتانتها موادی آلی هستند که یکسرقطبی( آب گریز) و یک سر غیر قطبی ( آب دوست) دارند. سر قطبی محلول در آب است،اما سر غیر قطبی در آب حل نمی شود و به همین علت این مواد همیشه به سطح آب می آیند و چون سطح آب محدود آست،این ملکولها یک لایه ی نازک بهم فشرده ومنظم را تشکیل می دهند.به این خاصیت"خود ساماندهی"می گویند.انواع مواد شوینده از این نوع اند در مواد شوینده سر غیر قطبی به چربیها وروغنها می چسبد و در نتیجه می توانیم آنها را با آب بشوییم)مهمترین مرحله در این روش جلوگیری از بزرگ شدن بیش از حد مطلوب این بلورهای نانومتری است که با تغییر دما یا افزودن مواد خاتمه‌دهنده واکنش یا تثبیت‌کننده‌ها صورت می‌گیرد. در این حالت، برای جلوگیری از به‌هم‌پیوستن ذرات کوانتومی، آنها را با یک لایه از سورفَکتنت‌ها می‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقیق‌تر کنترل شوند ذرات یکنواخت‌تری به وجود می‌آیند.

روش فرآوری

نقاط کوانتومی به صورت نقطه به نقطه روی سطوح سیلیکون حک می‌شوند. این کار با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی یا لیتوگرافی قلم آغشته در ابعاد بسیار ریز امکان‌پذیر است. در این حالت، می‌توان به‌دقت محل قرارگیری نقاط کوانتومی را کنترل کرد و با طراحی مدارهای مناسب در اطراف آنها، بین یک یا چند نقطة کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

روش خودآرایی ویروسی

دراین روش ،ویروس هایی که به طریق ژنتیکی دستکاری می شوند می توانند سطوح نیمه هادی بخصوص  نیمه هادی هایی نظیرZns راازطریق روش های انتخابگری شناسایی کنند واطراف این نیمه هادی آرایش یابند وبدین ترتیب نقاط کوانتومی ای که سنتز می شوند ،از نظر باکتری وفازهای نوترکیب بسیار متنوع هستند.

 

روش خود آرایی الکترو شیمیایی

 این روش براساس نشاندن لایه های نازک برروی سطوح نیمه هادی صورت می گیردویکی از روش های پایین به بالا برای ساختن نقاط کوانتومی است.

روش سنتز نقاط کوانتومی بدون کادمیوم

این روش بدین خاطرمورد توجه قرارگرفته است که استفاده از فلزات سنگین نظیر کادمیوم درساخت وسایل مورد نیار ممنوع است زیرا باعث تولید گازهای گلخانه ای می شود.بنابراین جهت بقای تجاری ،سنتز نقاط کوانتومی که فاقد فلزات سنگین باشند،مورد توجه است.

كاربردهای نقاط كوانتومی

کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیصهای پزشکی کاربردهای فراوان دارد.این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می کنند.با این تفاوت که در برابر درخشان شدن،خاصیت وتوانایی خود را از دست نمی دهندو در برابر تعداد سیکلهای تحریک وانتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.

در واقع نقاط کوانتومی با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موجها در فرکانسهای کاملا مشخص به فلوئور سانس می پردازند،به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده ودر فرکانس مشخص(که تابع اندازه آنهاست) به نشر نور می پردازند.این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژاعمال شده،به انعکاس ،شکست یا جذب نور بپردازند. نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در رنگ های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می توانیم نقاط کوانتومی را بسته به فرکانس مورد نیاز نور انتخاب کنیم و باعث شویم تا یک گروه از نقاط کوانتومی مشابه گروه دیگری با یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسبهای چندگانه امکان می دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند.

امروزه در پزشکی از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلولهای سالم وسلولهای تومور در مغز می پردازند. تیمی از محققان اعلام داشته اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می کنند.این نقاط  قابل رویت هستند و حتی زمانیکه تحت تابش قرار نمی گیرند نیز مرئی می باشند. زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین های دیجیتالی ویژه ، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعیین می‌کنند.

این نقاط دردرمان ناباروری بویژه در مردان نیزکاربرددارند ،به این صورت که درمردان نابارور بااستفاده ازنانوربات های سیال وباکمک نقطه کوانتومی اسپرم رابه درون تخمک منتقل کرده وباروری موفقی راباوجودتعداد کم اسپرم یا اسپرم های ناتوان ایجاد خواهدکرد.

نقاط کوانتومی برای کشف سلول های سرطانی در کل بدن ودرمان سرطان نیزکاربرد دارند،به این صورت که این نقاط رادر کپسول های پلیمری قرار می دهند وبا هدف رساندن آن به سلول سرطانی ورساندن دارو به منطقه هدف، برای درمان سلول موردنظر کاربرد دارندویکی اززمینه های بسیارجدید درتحقیقات ، چگونگی دریافت اطلاعات موردنظرازمولکول ها وسلول ها به وسیله کوانتوم دات ها است.

نشانگرهای بیولوژیكی

امكان تابش در فركانس‌های مطلوب، نقاط كوانتومی را ابزاری كارآمد برای نشانه‌گذاری و تصویربرداری از سلول‌های موجودات زنده ساخته است. می‌توان نقاط كوانتومی را به انتهای بیومولكول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA متصل كرد و از آنها برای شناسایی و ردیابی بیماری‌های درون بدن موجودات زنده استفاده كرد.

 تنوع طول موج‌های تابش نقاط كوانتومی این امكان را فراهم آورده است كه همزمان چندین نشانگر را در اجزای سلول زنده به كار برد و از نحوه و میزان برهمكنش آنها مطلع شد. پیش از این از مولكول‌های رنگی برای این كار استفاده می‌شد كه تنوع كمتری از نقاط كوانتومی از نظر رنگ‌ دارند و بیشتر باعث اختلال در فعالیت سلول‌های زنده می‌شوند و برای به‌كارگیری در درون بدن موجودات زنده مناسب نیستند. درواقع نشاندار کردن سلولها تکنیکی است که با استفاده از چندین رنگ جهت مشاهده ساختارهای سلولی نظیر پروتئینهای اسکلت سلولی ویا اندامک هاست .

کامپیوتر های کوانتومی

ازنقاط كوانتومی می‌توان برای نمایش یك بیت كوانتومی- یا كیوبیت- در یك کامپیوتركوانتومی استفاده كرد.درواقع كامپیوتر كوانتومی دستگاهی است كه یك پدیده ی فیزیكی را بر اساس قوانین مكانیك كوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یك حالت جدیداز پردازش اطلاعات را تشخیص دهد.در مطلبی به طور جداگانه به بررسی کامپیوتر های کوانتومی می پردازیم.

دیودهای نورانی سفید

قابلیت تنظیم اندازة گپ انرژی با نقاط كوانتومی، این قابلیت را در اختیار ما می‌گذارد كه آنها را به عنوان دیود نورانی به كار بگیریم. به این ترتیب، می‌توان به بازه بیشتری از رنگ‌ها دست یافت و منابع نور با كارآیی بسیار بالا ایجاد كرد. همچنین با تركیب نقاط كوانتومی با ابعاد مختلف، می‌توان منابع پربازده برای تولید نور سفید ایجاد كرد، زیرا همة آنها را می‌توان از یك طریق برانگیخت.

می‌دانیم كه نور سفید را می‌توان به نورهایی با رنگ‌های مختلف تجزیه كرد؛ مانند همان چیزی كه در رنگین‌كمان مشاهده می‌كنیم. معكوس این حالت هم امكان‌پذیر است، یعنی می‌توان با تركیب سه پرتو نوری یا بیشتر، با طول موج‌های مختلف، نوری تولید كرد كه سفید به نظر بیاید. با آنكه نقاط كوانتومی در ابعاد مختلف طول موج‌های مختلفی تابش می‌كنند، اما همة آنها را می‌توان با یك پرتو نور دارای طول موجی در محدودة ماورای بنفش تحریك كرد. درست مانند شكل (ارلن‌های رنگی) كه همة محلول‌ها تحت تابش یك منبع قرار دارند.

حال اگر سه تا از این محلول‌ها، و حتی بیشتر، را مخلوط كنیم، با جذب نور ماورای بنفش، نور سفیدرنگی از خود ساطع می‌كنند. چون طیف تابشی نقاط كوانتومی بسیار باریكتر از لامپ‌های التهابی است، دیگر اتلاف انرژی به صورت نور مادون قرمز، كه در روشنایی لامپ بی‌تأثیر است، وجود ندارد. در نتیجه، منبع نور سفید با بازدهی بسیار بیشتری خواهیم داشت.

 

کاربرد نقاط کوانتومی درسا خت آشکارسازهای مادون قرمز

با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی ،نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمزو دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

اتم‌های مصنوعی

باردار كردن نقاط كوانتومی، به علت كوچكی، به سادگیِ باردار كردن اجسام بزرگ نیست. برای اضافه كردن هر الكترون به یك نقطة كوانتومی، باید بر انرژی الكترواستاتیك بین الكترون‌های روی نقطة كوانتومی غلبه كرد. این كار را با اِعمال میدان الكتریكی انجام می‌دهند. الكترون‌هایی كه به نقاط كوانتومی اضافه می‌شوند، در ترازهای گسستة انرژی قرار می‌گیرند. این ترازها شبیه ترازهای مختلف اتم‌های عناصرند. به همین علت، به این نقاطِ كوانتومی باردارشده «اتم‌های مصنوعی» می‌گویند كه خواصی متفاوت از اتم‌های عناصر طبیعی دارند. این اتم‌ها، امروزه موضوع تحقیقات وسیعی هستند و تعدادی از آنها به نام اولین كسی كه این آزمایش‌ها را رویشان انجام داده، نامگذاری شده است.

 

عناصر مدارهای نوری

یكی از اصلی‌ترین چالش‌های صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست كه در حال حاضر به علت محدودیت طبیعیِ نیمه‌رساناهای توده‌ای در جذب و پاسخ به سیگنال، نمی‌تواند بیشتر از این شود. قابلیت تنظیم انرژی گپ و به تبع آن طیف جذبی و خواص ویژة نقاط كوانتومی، می‌تواند بر این مشكل فائق آید. نقاط كوانتومی همچنین قابلیت ایجاد لیزرهای كارآمدتر با اغتشاش كمتر برای ارتباطات سریع‌تر را فراهم می‌كنند.

 

سلول های خورشیدی

در نبود سوخت‌های فسیلی، یكی از منابع مهم تولید انرژی الكتریكی، تابش خورشید است. به دلیل افزایش نیاز بشر به منابع انرژی پاک، صنعت تولید سلو لهای خورشیدی با سرعت بسیاری در حال گسترش است.مشكل اصلیِ سلول خورشیدی کنونی، هزینة بالا و كارآیی كمِ آنهاست. سلول‌های خورشیدی از موادّ نیمه‌رسانا تشكیل شده‌اند كه با جذب نور خورشید، الكترون‌ها را به ترازهای باند رسانش هدایت می‌كنند و به نحوی باعث ایجاد نیروی محركة الكتریكی می‌شوند. بازدهی سلول‌های خورشیدی توسط طیف جذبی آنها كه جزو خواص ذاتی نیمه‌رساناهای توده‌ای است تعیین می‌شود.

سلو لهای خورشیدی سیلیکونی متعارف توانایی لازم برای تبدیل تمام انرژی فوتو نهای جذب شده به الکترو نها وحفر ه های آزاد و در نهایت تولید الکتریسیته را ندارند. از سوی دیگر، به علت قیمت بالای مواد خام نیمه هادی و نیز فرآیندهایی که برای تبدیل مواد خام به سلو لهای کاربردی نیاز است هزینه ی تولید این سلو لها بسیار بالا است. نقاط کوانتومی انقلابی را در تولید سلو لهای خورشیدی ارزا ن قیمت با بازد هی بالا آغاز کرده است.  انواع مختلف نقاط کوانتومی که به منظور تطبیق یافتن و جذب نور طیف خورشید طراحی شده اند را می توان در یک سلول خورشیدی گردآوری نمود .نقاط کوانتومی باا ستفاده ا زا ندازه منحصربه فردشان از قابلیت های مهمی برای برقراری تعامل نوری بامنبع نور برخوردار هستند. در سیلیکو نها، یک فوتون نوری، یک الکترون از مدار اتم رها می سازد. دراواخر دهه 90 میلادی آرتور نوزیک از محققان ارشد آزمایشگاه ملی منابع تجدیدپذیر انرژی در کلورادوی آمریکا بر این فرض بود که نقاط کوانتومی مواد خاص نیمه هاد یها هستند که می توانند به هنگام برخورد با فوتو نهای دارای سطح انرژی بالا دو یا تعداد بیشتری الکترون آزاد کنند. این فرآیند را در پایانه های فو ق بنفش و آبی طیف رنگی نیز مشاهده میکنیم.در واقع با طراحی نقاط كوانتومی كه بیشتر همپوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی سلول های خورشیدی را تا بیش از 90 درصد افزایش داد.

لیزرهای نقطه کوانتومی

واژه" لیزر" اختصاری برای عبارتی است به معنای " تقویت نور به وسیله ی گسیل برانگیخته نور"است .نورگسیل شده ازیک لیزرهم تکفام (تک طول موج )وهم همدوس (هم فاز ) می باشد .لیزرهای نقطه کوانتومی،یکی از انواع لیزرهای نیمه رسانا هستند.  نقاط کوانتومی به علت محدودیت حامل های بار وطیف نوری نشری گسسته که مربوط به ترازهای الکترونی گسسته می باشد ، ساختار الکترونیکی شبیه به اتم واقعی از خود به نمایش می گذارند.

از مزایای این لیزرها :

1. بهبود پهنای باند مدولاسیون

2. جریان آستانه پایین

3. بهبود پارامتر پهنای خط

4. حساسیت کم به دما را می توان نام برد

 

ناحیه فعال نقطه کوانتومی می تواند مهندسی شود تا یک طول موج خاص را منتشر سازد،این کار بوسیله سایز نقطه کوانتومی  و میزان ترکیب در آن کنترل می شود.کارایی لیزرهای نقطه کوانتومی بسیار بیشترازلیزرهای معمولی است.

 

 

 

---

منابع:

کتاب مقدمه ای برنانوفناوری-چارلزپی پول،فرانک جی اونسز

کتاب نگرشی بر چاه ها،سیم ها ونقاط کوانتومی-دکتررضا ثابت داریانی

کتاب دیدگاهی برفناوری نانو-عباس نجف زاده

نرم افزار nanopolis وماهنامه فناوری نانو

مقاله سنتز و کاربرد نقاط کوانتومی در سلو لهای خورشیدی حمیده صیقل کار ، مسعود صلواتی نیاسری 

 Nanoclub,ERSemiconductor,Mikro and Nano Science platform, LiveNano.org,nanotech-now.com

mdpi.org,mdpi.com,ask.com,oceannanotech.com,wiley.com,itqb.unl.pt,medicalnanotec.com

Nanopedia,green fudge.org, mrsec.wisc.edu, lbl.gov,nano-

کامپیوتر کوانتومی (1)

---

کامپیوتری که روی میز تحریر شما جا خوش کرده، برای کارکردن باید یک مشت صفر و یک را بفهمد و دستکاری کند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد یا وضعیت مودم و موس شما با مجموعه ای از بیت های متشکل از صفرها و یک ها به کامپیوتر داده می شود. درکامپیوترهای معمولی قوانین فیزیک کلاسیک حاکم است،بیت های اطلاعات، خیلی ساده تعریف می شوند؛ سوئیچ های الکتریکی می توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا می توانند اینجا باشند، می توانند هم نباشند! ولی کامپیوترهای کوانتومی با طبیعت دودویی های فیزیک کلاسیک محدود نمی شود ،كامپیوتر كوانتومی دستگاهی است كه یك پدیده ی فیزیكی را بر اساس قوانین فیزیک كوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یك حالت جدیداز پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در واقع روش بهتر و  قدرتمندتر برای پردازش اطلاعات پیش رویمان ،براساس فیزیک كوانتومی می باشد.دراین مطلب به بیان تاریخچه وتفاوت های کامپیوترهای کوانتومی وکلاسیک می پردازیم و نحوه برقراری ارتباط رادرکامپیوترهای کوانتومی شرح می دهیم.

---

کامپیوتر تنها بخشی از دنیایی است که ما آنرا دنیای دیجیتالی می نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می شود. اما روش بهتر برای پردازش اطلاعات بر اساس مکانیک کوانتومی می باشد. این روش جدید با ویژگی هایی همراه است که آنرا از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترها سیستم هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین کننده ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلز بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود. بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می سازد. این پدیده ها عبارتند از: بر هم نهی(superposition) ، تداخلinterference) ، درهم تنیدگی(Entanglement) ، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability)  .

برای بررسی اثرات این پدیده ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم. 

 هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده ی واژه ی«عدد دودویی» است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچک ترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می­شوند. پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم  چنین پایه ای معرفی میشود که آنرا کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می نامیم.

یک بیت کوانتومی (که به آن "کیوبیت"اطلاق می گردد )ممکن است درحالت های کلاسیک صفر یا یک وجودداشته باشد،یا ترکیبی از این دو(یعنی درآن واحد،مقادیر صفرویک را به طورهمزمان داشته باشیم "حالت برهم نهی ") یا حتی معرف عددی باشند که حالت آنها را جایی بین صفر و یک تعیین می کند. با توجه به مکانیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذره های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد، اما هیچ راهی برای دانستن قطعی این که آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه که در کامپیوترهای کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. .

تاریخچه کامپیوتر کوانتومی

نظریه کامپیوترکوانتومی ازسال 1982مطرح بوده است از زمانی که فیزیک دان مشهور و برنده جایزه نوبل «ریچارد فاینمن » برای نخستین بار ، پیشنهاد كرد كه باید محاسبات از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام كوانتوم شود،همچنین بیان کرد کامپیوتر کوانتومی چگونه ممکن است کار کند. این پیشنهاد تا اوایل سال1990مورد توجه جدی قرار نگرفت وبه صورت آکادمیک باقی ماند،البته در سال 1985،دویتش متوجه شد که اظهارات فاینمن ، می تواند تدریجاً به ساخت کامپیوتر کوانتومی منجر شودو مقاله ای را منتشر کرد مبنی بر اینکه اصولاً هر فرآیند فیزیکی را می توان به خوبی با کامپیوترهای کوانتومی مدل سازی کرد. بالاخره در 1994 « پیتر شور» نخستین گام را برای  محقق كردن این آرزو برداشت. وقتی که بعضی از مشکلات کلیدی کامپیوتر های معمولی نشان داده شد ، کامپیوترهای کوانتومی در اصل می توانستند خارج از رونوشت های کلاسیکی خود محاسبات را انجام و اجرا نمایند یعنی کارایی بسیار بالاتری را نسبت به کامپیوترهای معمولی از خود نشان می داد ند. وی مقاله ای را منتشر نمود که حاوی روشی برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در حل مشکل پیچیده ای در نظریه اعداد،به نام فاکتورگیری بود.او نشان داد که چگونه یک مجموعه از عملیات ریاضی که منحصراً برای کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده اند ، می توانند چنین دستگاهی را به انجام فاکتورگیری از اعداد بیشماری با سرعت بالاتر از کامپیوتر های کلاسیک ، قادر سازد با این اختراع ، محاسبات کوانتومی از یک کنجکاوی به یک توجه جهانی تبدیل شد.

از آن موقع به بعد، گروههای تحقیقاتی در سرتاسر دنیا مسابقه ای را برای پیش قدم شدن در ساخت یک سیستم عملی آغاز نمودند. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و فیزیک كوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه انرا محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری  (Nano Computing ) می نامیم .محاسبات کوانتومی مشكلات گذشته را برطرف می سازدو افق جدیدی را ایجا دمی کند.

 قدرت خارق العاده کامپیوتر کوانتومی در نتیجه وقوع پدیده ای موسوم به توازی کوانتومی، مکانیزمی که انجام و اجرای محاسبات حجیم ، زیاد و مکرر را به طور همزمان  مقدور می سازد. این یک مقابله سخت و نیرومند و فرق نمایان و بزرگ با کامپیوترهای کلاسیک است که قادرند تنها هر عملیات را فقط به صورت یک عمل در هر با ر و البته  خیلی سریع انجام دهند.

چه تفاوتی میان یک کامپیوتر کوانتومی ویک کامپیوترکلاسیک وجود دارد؟

بین كامپیوتر های كوانتومی و كامپیوتر های كلاسیك تفاوت های اساسی وجود دارد:

1- در کامپیوتر های كوانتومی  به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریزمانند نانو ذرات نیمه رسانا((نقاط کوانتومی- Quantum dots)) برای پردازش اطلاعات استفاده می كنند.یك اتم می تواند به عنوان یك بیت حافظه در رایانه عمل كند و جا به جایی اطلاعات از یك محل به محل دیگر نیز توسط نور امكان می پذیرد. ذخیره اطلاعات در کامپیوترهانیز به صورت سری هایی از بیت های با حالت های روشن و خاموش صورت می گیرد.

2- در مقایسه این 2نوع کامپیوتر می توان گفت،مسائلی که زمانی تصور می شد درکامپیوترهای کلاسیک غیر قابل حل است،درکامپیوتر های کوانتومی حل خواهد شدو شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت نزدیک تر می شود.حتی ابر کامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رسانی نرم افزار ،Email،بانک های آنلاین و تمام قلمرو رمز نگاری عمومی و امضاهای دیجیتال،فقط از دوروش رمز نگاری برای ایمن نگاه داشتن خود استفاده می کنند.

RSAوECC (رمزنگاری منحنی بیضی) دوروشی هستند که کشف رمز این روشها،برای کامپیوترهای کلاسیک تا حد زیادی ناشدنی است.ولی یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی برای شکستن هردوی این کدها،قدرتمند است.

 (ECCبرای امضاهای دیجیتال استفاده می شود،که اطمینان میدهد یک پیغام واقعا توسط فرستنده مدعی،فرستاده شده است.RSAبرای بیشتر سیستمهای رمزنگاری کلید عمومی استفاده میشود،که در آن یک پیغام ،با یک کلید عمومی مجاز کدگذاری می شود و باید با قوانین ریاضی مبتنی بر کلید سرّی رمزگشایی شود. )

3-کامپیوترهای کوانتومی از یک خاصیت دیگر هم سود می برند که آنها را از کامپیوترهای کلاسیک مستثنی می کند و آن انتقال از راه دور است.انتقال از راه دور موجب می شود، اطلاعات یک ذره به ذره دیگری منتقل شود.درنتیجه کامپیوترهای کوانتومی برای انتقال بیت در درون و بیرون ساختار خود ،نیازمند سیم نیستند.

4-تفاوت دیگر کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک این است که،اندازه ترانزیستورها هر سال کوچکتر میشود.وقتی اندازه ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک می شود،دیگر قوانین حاکم بر فیزیک کلاسیک بر رفتار اتم ها حاکم نیست.

به طور مثال کسی نمیداند یک الکترون در زمان مشخصی ،دقیقاً در کجا قرار دارد یا کسی نمیتواند به درستی تشخیص دهد که الکترون در یک سیم به کجا میرود. یعنی وقتی به ابعاد اتمی نزدیک می شویم،فیزیک کوانتومی رفتار اتم ها را توضیح میدهد و دیگر قوانین فیزیک کلاسیک کاربرد ندارد.در واقع این نوع  کامپیوترها با استفاده از فناوری های میکروسکوپی ذره ها کار می کنند.

5-همان طورکه می دانیم دریک کامپیوتر کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک ،اصول حاکم تغییر نموده اند.نه تنها،یک بیت کوانتومی، موسوم به کیوبیت می توانددرحالت های صفرویک کلاسیک وجودداشته باشد بلکه همچنین می تواننددرحالت برهم نهی قرارداشته باشد.هرگاه هر کیوبیت دریک کامپیوترکوانتومی درحالت برهم نهی واقع شده باشد ،آنگاه کامپیوتررامی توان درهرحالت ممکنی مجسم کرد که آن کیوبیت هامی توانندازخودنشان دهند.درواقع کامپیوتر های کوانتومی می تواند در یک زمان چندین حالت داشته باشد و این امکان راایجادمی کند که میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابرکامپیوتر های فعلی کار کند. چند حالت پذیری کیوبیت ها همان دلیلی است که باعث می شود کامپیوتر های کوانتومی ذاتاً از پردازش موازی بهره ببرند. پردازش موازی امکان کار کردن بر روی میلیون ها محاسبه در یک لحظه را به این کامپیوتر ها می دهد در حالی که کامپیوتر شخصی شما فقط یک محاسبه در لحظه انجام می دهد.

 

نحوه برقراری ارتباط درکامپیوترهای کوانتومی

با توجه به ماهیت ساختار کامپیوترهای کوانتومی،روش برقراری ارتباط آنها کاملاً متفاوت با کامپیوترهای امروزی است. بدین صورت که پالس های رادیویی نقش صفحه کلید را دارند،که به وسیله آن اطلاعات وارد کامپیوتر می شود و دستگاه تشدید مغناطیسی که شبیه به دستگاه MRI بیمارستان است،نقش صفحه نمایش را ایفا می کند و با ارائه تصویر مغناطیسی از توده مولکولها ، کامپیوتر توده محاسبات را به ما میدهد.

از سوی دیگر باید تلاش کرد ترانزیستورهایی از جنس مورد نظر ساخت،زیرا ترانزیستورها،عامل تقویت ولتاژ در مدارهای الکترونیکی هستند و قدرت تقویت کنندگی آنها موجب افزایش سرعت کامپیوتر ها است.

این ترانزیستورها تاثیر مهمی در تولید کامپیوترهای آینده دارند و در صورتی که در ابتدا یا انتهای  ساختار آنها،ترکیبی با دیگر نیمه هادی ها به خصوص طلا ایجاد شود یا حتی روی پوسته آنها نیمه هادی مهمی چون «روی» قرار داده شود،گام مهمی برای تولید قدرتمندترین ترانزیستورها برداشته ایم.

در واقع زمانی که این نیمه هادی های ترکیب شده،به یک باطری متصل می شوند و الکتریسیته دریافت می کنند،همچون یک ترانزیستور عمل کرده و موجب تقویت ولتاژ در مدار و همچنین موجب افزایش سرعت کامپیوتر می شوند.از آنجایی که جریان ورودی به این نیمه هادی ها قابل کنترل است،جریان خروجی از آنها هم قابل کنترل است. این ترکیب ها این قابلیت را دارند که در ساخت نقاط کوانتومی مورد استفاده در کامپیوترهای نسل آینده استفاده شوند.

این نقاط کوانتومی در واقع کریستال هایی از نوع نیمه هادی هستند،که قابلیت ذخیره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.این نقاط کوانتومی بهترین مکان برای ذخیره سازی اطلاعات در کامپیوترهای پیشرفته هستند. از سوی دیگر در صورتی که بتوان نقاط کوانتومی را با یکدیگر پیوند داد، می توان آنها را به اندازه تنها چند سانتی متر مربع در ساختار سخت افزاری کامپیوترها جای داد.به این ترتیب هر سانتی متر مربع از درایورهای ما می توانند صدها گیگا بایت از اطلاعات را در خود ذخیره کنند.

 

   ادامه دارد...

 

 

 

---

منابع:

کتاب نانو تکنولوژی علم پایه وتکنولوژی نوظهور –Michael Wilson,Geoff Smith-مترجم جعفروطن خواه دولت سرا

Quantum computer.Archill Avaliani International university December2002*

.Quantum computer Andrewstean Received 13 Agust 1997*

( Quantum computation David.Divincenz(1995*

sw-quantum.blogfa.com ،  merooj.parsiblog.com ،  aftabir.com ، nano.ir ، vista.ir ، wired.com ، dailygalaxy.com  adam-novagen.deviantart.com ، students.ou.edu ، computer.howstuffworks.com

سنگ های متحرک اسرارآمیز

"دره مرگ" منطقه ای در کالیفرنای جنوبی، نزدیک صحرای نوادا در آمریکای شمالی است که طول آن 225 کیلومتر و پهنایش بین 8 تا 24 کیلومتر است. این منطقه پست ترین نقطه در نیمکره غربی جهان نیز به شمار می آید. ارتفاع پست ترین قسمت آن 86 متر پایین تر از سطح آب های آزاد است.

در تابستان، دمای این منطقه به 50 درجه می رسد و گزارش شده است که در سال 1913 دمایش به 6/56 درجه نیز رسیده بود. این دره، زمستان ها هوای ملایمی دارد. اما دمای شب های زمستانی آن گاهی زیر صفر است. در نقاط مختلف این دره، آبگیرهای نمکی، نمکزارها و تپه های آتشفشانی عجیبی دیده می شود.

از عوامل مهمی که توجه زمین شناسان را بخود جلب کرده، حرکت اسرار آمیز سنگ ها در این منطقه است.آنها روی زمین می لغزند و از خودشان رد پا می گذارند. در واقع مسیری کم عمق از خودشان در طول حرکت به جا می گذارند.

سنگهای متحرک اسرارآمیزی در  دره ی "مرگ" مکانی که هیچ انسانی زندگی نمی کند کشف شده اند که بدون دخالت هیچ موجود یا انسانی در سراسر دره می لغزند و حرکت می کنند! سنگهای متحرک دره ی مرگ یک پدیده ی بی نظیر هستند.

این یک معمایی بسیار عجیب است که سنگ هایی که اندازه ی یک انسان وزن دارند می توانند فرسنگ ها خودشان حرکت کنند و این مسئله در دهه ی اخیر به یک معمای غیر قابل حل تبدیل شده است که ذهن بسیاری از زمین شناسان را به خود مشغول کرده است.

این دره در طول تابستان پوشیده از زمین گلی ترک خورده است و در زمستان پوشیده از یخ است.

برخی زمین شناسان به این تنیجه رسیده اند که این سنگهای متحرک زمانی حرکت می کنند که گلهای روی زمین خیس هستند و باد هم به حرکتشان کمک می کند. گر چه این فرضیه کاملا درست نیست ;چون سنگها در تابستان حرکت شان را آغاز می کنند ; زمانی که درجه ی دمای هوا آنقدر بالا است که حتی خود سنگها را می خشکاند، چه برسد به زمینی که این سنگها انجا قرار دارند.

آنها حتی مسیرهای چرخشی متفاوتی هم اطراف همدیگر ایجاد می کنند.بعضی از آنها ردی کشیده و باریک از خود در مسیر به جای می گذارند برخی ردی بیضی شکل و چرخشی به جای می گذارند و برخی ردی موج دار و پر تلاطم به جا می گذارند.در حالیکه هیچ کس حرکتشان را نمی بیند و سرعت شان را حس نمی کند. سنگها در حالیکه روی یک سطح مسطح هستند مسیر خود را چرخشی عوض می کنند. برخی سنگها در طول 2 تا 5 سال بیشتر از بقیه حرکت می کنند.

مثلث برمودا

مثلث برمودا

محلی است و هم‏انگیز که صدها هواپیما و کشتی در هوا و دریای آن ناپدید شده‏اند. بیش از هزار نفر در این منطقه وحشت گم شده‏اند، بدون اینکه حتی یک جسد یا قطعه پاره‏ای از یک هواپیما یا کشتی مفقود شده، به جا مانده باشد.

 

برمودا کجا هست؟!

مثلث برمودا واقعاً یک مثلث نیست، بلکه شباهت زیادی به یک بیضی (و شاید هم دایره‏ای بزرگ) دارد که در روی بخشی از اقیانوس اطلس در سواحل جنوب شرقی آمریکا واقع شده است.

«وینسنت گادیس» که مثلث برمودا را نامگذاری کرده، آن را به صورت زیر توصیف می‏کند؛ «یک خط از فلوریدا تا برمودا، دیگری از برمودا تا پورتویکو می‏گذرد و سومین خط از میان باهاما به فلوریدا برمی‏گردد.»

این محل تقریباً باورنکردنی، اسرار غیرقابل توصیف جهان را به خود اختصاص داده است. مثلث برمودا نامش را در نتیجه‏ی ناپدید شدن 6 هواپیما همراه با تمام سرنشینان آنها در پنجم دسامبر 1945 کسب کرد. 5 فروند از این هواپیماها به دنبال اجرای ماموریتی عادی و آموزشی، در منطقه‏ی مثلث، پرواز می‏کردند که با ارسال پیام‏هایی عجیبی درخواست کمک کردند. هواپیمای ششم برای انجام عملیات نجات، به هوا برخاست که هر شش هواپیما به طرز عجیب و مشکوکی ناپدید شدند.

آخرین پیام‏های مخابره شده‏ی آنها به برج مراقبت حاکی از وضعیت غیرعادی، عدم دیدن خشکی، از کار افتادن قطب نماها یا چرخش سریع عقربه‏ی آنها و اطمینان نداشتن از موقعیت‏شان بود. این در حالی بود که شرایط جوی برای پرواز مساعد بود و خلبانان و دیگر سرنشینان افرادی با تجربه و ورزیده بودند. با وجود مدت‏ها جستجو هیچ اثری از قطعه‏ی شکسته، لکه‏ی روغن، آثاری از اجسام شناور، خدمه یا تجمع مشکوکی از کوسه‏ها دیده نشد. هیچ حادثه‏ای چه قبل و چه بعد از آن، تا  این حد حیرت‏آورتر از ناپدید شدن دسته‏جمعی این هواپیماها نبوده است. در حوادثی مشابه در این منطقه قایق‏ها و کشتی‏های مفقود شده‏اند.

 

منطقه‏ی وحشت!

امروزه همه روزه هواپیماهای زیادی بر فراز مثلث برمودا پرواز می‏کنند. کشتی‏های بزرگ و کوچک در آب‏های آن در حال ترددند و افراد زیادی برای بازدید، به این منطقه مسافرت می‏کنند، بدون آنکه اتفاقی بیفتد. از طرف دیگر، در دریاها و اقیانوس‏ها در سراسر دنیا، کشتی‏ها و هواپیماهای زیادی مفقود شده و می‏شوند. پس چرا فقط مثلث برمودا از بقیه‏ی مناطق جدا شده است. علت این است که اولاً هیچ امیدی برای یافتن حتی اثر و نشانه‏ای وجود ندارد. ثانیاً در هیچ منطقه‏ی دیگری چنین ناپدید شدن‏هایی بی‏دلیل، بیشمار و نامعلوم روی نداده و به این خوبی ثبت نشده است.

 

مشاهدات و گزارشات

در بیشتر اتفاقات مثلث برمودا، اکثر هواپیماها در حالی ناپدید شده‏اند که تماس رادیویی خود را با ایستگاه‏های مبداً و مقصدشان تا آخرین لحظه حفظ کرده‏اند و یا برخی دیگر در لحظات آخر پیام‏های غیر عادی مخابره کرده‏اند که حاکی از عدم کنترل آنان بر روی دستگاه و ابزارها بوده است و با چرخش عقربه‏های قطب نما به دور خود و تغییر رنگ آسمان اطراف به زردی و مه‏آلودی، (آن هم در روز صاف و آفتابی) و با تغییراتی غیر عادی در آب‏ها که تا لحظاتی قبل آرام بوده‏اند، بدون بیان هیچ دلیل روشنی از چگونگی این وقایع.

این پیام‏ها رفته رفته ضعیف‏تر و غیرقابل تشخیص‏تر شده و یا سریعاً قطع شده‏اند. دقیقاً مثل اینکه چیزی ارتباط رادیویی را قطع کرده باشد و یا چنانچه اظهار عقیده شده، در حال دور شدن و عقب رفتن از فضا و زمان بوده و دورتر و دورتر شده‏اند. در برخی موارد، گزارش‏ها حاکی از آن بود که نوری ناشناخته و غیرقابل تشریح دیده شده است. همچنین توده‏ی سیاه و تاریکی در سطح دریا که پس از مدتی ناپدید شده، در جریان این اتفاقات گزارش شده است.

در مواردی هم گزارش شده که نقطه‏ی تاریک بزرگی در میان ستارگان در آسمان دیده شده که نوری متحرک از طرف زمین به آن قسمت وارد شده و سپس هر دو ناپدید شده‏اند. در تمام مدت دیده‏ شدن تاریکی ، دستگاه‏ها و سایر ابزارهای قایق‏های ناظر از کار افتاده بودند که پس از رفع تاریکی آسمان، دوباره شروع به کار کرده‏اند.

دریاچه خون در ژاپن

یکی از مکان های عجیب و غریب دنیا معروف به دریاچه خون است که این دریاچه در (بپوو) شهری در یکی از جزایر ژاپن

 واقع است.

این منطقه از ذرات داغی در سراسر آن تشکیل شده است، چشمه ای از آب گرم که سال هاست در حال جوشیدن است.

آهن زیاد موجود در چشمه آب گرم، آب را به صورت قرمزی غیر آرامش بخش و حتی ترسناک و به رنگ خون تبدیل می کند.

و همچنین باعث میشود عمق چشمه را بیشتر از حد معمول خود نشان دهد. عنصر آهن سبب تغییر رنگ سنگ ها به رنگ قرمز نیز در اطراف آن می شود.

با دیدن این منظره حس عجیبی به شما دست می دهد.

بخار آب یا گازی که از ترکیب جوشیدن آهن موجود در آن به وجود می آید و سطح چشمه را فرا گرفته است باعث ایجاد ترس و دلهره در وجود شما می شود زیرا صحنه ای همچون مواد مذاب آتشفشان را تداعی می کند که در حال جوشیدن است.

و شاید ترسی که بعد از دیدن این منظره احساس می شود باعث شده است که بومیان این منطقه به چشمه آب گرم، لقب « جهنم» را بدهند.

محل عبور اطلاعات کجاست؟

محل عبور اطلاعات کجاست؟

---

برای رسیدن اطلاعات از فرستنده به گیرنده، باید بر روی اطلاعات پردازش صورت بگیرد. این پردازش به محیط انتقال و نوع رسانه‌های فرستنده و گیرنده بستگی دارد.

---

رسانه انتقال مسیری فیزیکی میان فرستنده و گیرنده است که اطلاعات از طریق آن جا به جا می‌شود. بسته به کاربردی که از رسانه انتقال انتظار داریم، داده‌ها می‌توانند در مسیری هدایت شده و یا هدایت نشده منتقل شوند. در اینجا منظور از رسانه هدایت شده، مجرای انتقال از طریق "سیم" است و به انتقال "بی سیم" مسیر هدایت نشده می‌گویند.

رسانه‌های هدایت شده مسیری را فراهم می‌کنند که موج‌ها در طول آن منتشر می‌شوند. معروف ترین رسانه‌ی هدایت شده، فیبر نوری (Optical Fiber) ، کابل زوج سیمی (Twisted Pair) و کابل هم محور ( Coaxial Cable) است.

همان طور که می‌دانید انتقال بی سیم از طریق هوا، خلا، آب و... صورت می‌گیرد. در این نوع رسانه‌ها امواج از طریق آنتن در محیط منتشر می‌شود تا به گیرنده برسد.

حال به بررسی رسانه‌های انتقال می‌پردازیم.

زوج سیمی

این رسانه انتقال یکی از ارزان‌ترین و پرکاربردترین رسانه‌ی انتقال هدایت شده است. ساختار اصلی آن شامل دو سیم مسی روکش دار است که به صورت مارپیچ به یکدیگر پیجیده شده‌اند. دلیل این نوع پیچیدن کاهش خاصیت القایی در سیم‌هاست. اگر این سیم‌ها به صورت مارپیچ به طور یکدیگر تابیده نشوند احتمال تداخل و هم شنوایی افزایش می‌یابد.

در نمونه‌های تجاری، این سیم ها به صورت تک زوج در کابل قرار ندارد. بلکه یک کابل می‌تواند شامل 100 یا بیشتر زوج باشد. مجموعه زوج‌ها در کابلی با روکش پلاستیکی کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.

زوج سیمی به دو صورت بی حفاظ و با حفاظ ساخته می‌شود. نوع بی حفاظ آن بیشتر خطوط تلفن و شبکه‌های محلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نصبشان ساده‌تر و قیمت پایین‌تری دارند. ضعف بزرگ این زوج سیمی بی حفاظ حساسیت ان به تداخل امواج الکترومغناطیسی است. به همین منظور از پوششی فلزی برای خنثی کردن این اثر استفاده می‌شود.

در زوج سیمی با حفاظ از ورقه‌‌ی فلزی نازکی به عنوان محافظ استفاده می‌شود. این نوع کابل‌ها گران‌تر هستند و کاربردهای کمتری نسبت به نمونه‌های بدون حفاظ دارند. نصب و اتصال آنها نیز دشوارتر است.

کابل هم محور

این نوع کابل نیز مانند کایل زوج سیمی از دو رسانا تشکیل شده است. همان طور که از اسمش مشخص است، محور دو سیم روی یکدیگر قرار دارد و میان آنها را عایق پوشانده است. به این ترتیب که رسانای داخلی قرار دارد، روی آن با عایق پوشانده می‌شود، سپس رسانای خارجی قرار می‌گیرد، روی این رسانا نیز عایق بندی صورت می‌گیرد و در آخر کل مجموعه در پوششی پلاستیکی محفوظ می‌شود.

کابل هم محور  پهنای باند بیشتری نسبت به زوج سیمی فراهم می‌کند و محدده بزرگ‌تری از فرکانس‌ها را شامل می‌شود. این نوع کابل به دلیل ساختار عایق بندی شده‌ای که دارد نسبت به زوج سیمی از تداخل و هم شنوایی کمتری برخوردار است.

کابل هم محور کاربردهای وسیعی فراهم می‌کند و مصارف متعددی دارد. از جمله RG-59 که برای تلویزیون و RG-58 که برای شبکه‌های محلی LAN و اترنت نازک و RG-11 که در اترنت ضخیم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

امروزه در خیلی از کشورها، خانه‌ها مجهز به کابل TV هستند و برنامه‌ها و شبکه‌های دلخواه خود را می‌خرند. با این کابل می‌توان صدها کانال TV را چندین کیلو متر انتقال داد.

متاسفانه این کابل حجم و وزن بیشتری نسبت به رقیب اصلی خود یعنی فیبر نوری دارد . همین امر موجب می‌شود رفته رفته کاربردهای خود را از دست بدهد.

فیبر نوری

فناوری فیبر نوری به سبب امکاناتی که برای ما فراهم می‌کند رتبه نخست در انتقال داده‌ها و ارتباطات مخابراتی را کسب کرده است. ایده اصلی استفاده از نور در دهه 60 میلادی مطرح شد. به این صورت که می‌توان از نور به جای ولتاژ یا جریان استفاده کرد. هر روشن و خاموش شدن منبع نور در فرستنده می‌تواند به عنوان پیام در گیرنده تلقی شود. برای مثال، خاموش شدن منبع می تواند صفر و روشن شدن منبع نوری می تواند یک فهمیده شود.

فیبر نوری از پلاستیک و یا شیشه ساخته می‌شود. جنس آن منعطف و قطر آن بسیار نازک است. معمولا بین 6 تا 12 تار نوری درون یک کابل قرار می‌گیرد.

به فیزیک اول دبیرستان باز می‌گردیم،  فصل نور. در آنجا خواندید وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بالا وارد محیطی با ضریب شکست پایین می‌شود، زاویه پرتو با خط عمود بر سطح افزایش می‌یابد. این افزایش می‌تواند سه حالت کلی داشته باشد. اول اینکه پرتو در نهایت به محیط دوم راه پیدا کند. دوم اینکه پرتو مماس بر دو سطح (زاویه حد)  قرار بگیرد. سوم اینکه زاویه تابش پرتو از زاویه حد بیشتر شود که در این صورت پرتو دوباره به داخل محیط اولیه بازتابش می‌شود.

فیبر نوری از حالت سوم بهره می‌گیرد و بدین ترتیب امواج در داخل آن منتشر می‌شوند تا به گیرنده برسند.

اصول اولیه کد گذاری داده‌ها

اصول اولیه کد گذاری داده‌ها

---

داده‌ها می‌توانند به صورت دیجیتال و آنالوگ وجود داشته باشند. آنچه حائز اهمیت است، پیدا کردن بهترین روش برای انتقال داده‌هاست. اطلاعات پیش از ارسال باید کد گذاری شوند . اصولا هر نوع داده‌ای جدا از آنکه دیجیتال یا آنالوگ باشد می‌تواند به شکل سیگنال دیجیتال و یا آنالوگ کد گذاری و ارسال شود. اینکه از کدام روش کد گذاری استفاده می‌کنیم به دو عامل شکل اولیه سیگنال و سخت افزار انتقال، بستگی دارد.

---

یک سیگنال به تنهایی اطلاعاتی را حمل نمی‌کند و مفهومی را نمی‌رسد. سیگنال‌ها باید بر اساس الگویی از پیش تعیین شده ساخته و کد گذاری شوند تا وقتی از فرستنده به گیرنده منتقل می‌شوند برای گیرنده قابل فهم باشد و گیرنده همان اطلاعاتی را از فرستنده دریافت کند که منظور فرستنده بوده است. در واقع تفسیر فرستنده و گیرنده از کدگذاری سیگنال باید یکی باشد.

اگر بخواهیم سیگنال اولیه را به روش دیجیتالی کدگذاری کنیم به یک کدکننده در فرستنده و در مقابل به یک کد کشا در گیرنده نیاز داریم. برای مثال داده‌ها را به الگوهای صفر و یک تبدیل می‌کنیم. ولی اگر بخواهیم سیگنال اولیه را به روش سیگنالینگ آنالوگ ارسال کنیم باید از سیگنال حامل و روش مدولاسیون (Modulation) استفاده کنیم.

سیگنال حامل، سیگنالی پیوسته با فرکانس ثابت است که داده‌ها از طریق آن ارسال می‌شوند. در واقع فرآیند کدگذاری برای ارسال آنالوگ به گونه‌ایست که الگوها بر روی پارامترهای اصلی یعنی مفاهیم دامنه و فرکانس تغییر ایجاد می‌کنند. مانند حالت دیجیتالی، در این روش در فرستنده به یک مدولاتور و در مقابل در گیرنده به دمدولاتور نیاز داریم.

 

 

در یک تقسیم بندی کلی، تبدیلات و کدگذاری سیگنال‌ها را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد

• تبدیل داده دیجیتال به سیگنال دیجیتال که به آن کد گذاری خط (Line encoding) می‌گویند. به اختصار D/D

• تبدیل داده آنالوگ به سیگنال دیجیتال که به آن کد گذاری منبع (Source encoding) می‌گویند. به اختصار A/D

• تبدیل داده دیجیتال به سیگنال آنالوگ که به آن مدولاسیون دیجیتال (Digital modulation) می‌گویند. به اختصار D/A

• تبدیل داده آنالوگ به سیگنال آنالوگ که به آن مدولاسیون آنالوگ (Analog Modulation) می‌گویند.به اختصار A/A

هدف نهایی از کد گذاری داده ها به هر یک از روش‌های بالا ساده سازی ارسال اطلاعات از طریق کانال است و بسته به کاربردی که انتظار داریم، نوع روش انتخابی متفاوت است.

تبدیل داده دیجیتال به سیگنال دیجیتال

شاید بپرسید برای چه باید داده‌ای که خود به صورت دیجیتالی است را به سیگنال دیجیتالی تبدیل کنیم. فرض کنید می‌خواهیم صفر و یک را از طریق زوج سیمی و منبعی که ولتاز 0 تا 5 را تامین می‌کند، ارسال کنیم. ساده ترین راه برای این کار در نظر گرفتن ولتاز 0 برای 0 و ولتاژ 5 برای 1 است. اما این کار را انجام نمی‌دهیم. زیرا با تبدیل داده به سیگنال دیجیتالی و در نظر لبه های پایین رونده و یا بالا رونده سیگنال، اثر نویز را می توانیم خنثی می‌کنیم.

این تبدیل نسبت به تبدیل دیجیتال به آنالوگ هزینه و پیچیدگی کمتری دارد.

 

تبدیل داده آنالوگ به سیگنال دیجیتال

استفاده از این تبدیل طیف گسترده‌ای از کاربردها را برای ما فراهم می‌کند. برای مثال فرض کنید می‌خواهیم صدای خود را از طریق کامپیوتر ضبط و به صورت دیجیتالی ارسال کنیم. برای این کار ابتدا باید سیگنال الکتریکی را به صفر و یک تبدیل کنیم که این کار توسط رقمی ساز یا Digitizer انجام می‌شود. سپس داده‌ها را مانند روش قبل ارسال می‌کنیم.

تبدیل داده دیجیتال به سیگنال آنالوگ

همان طور که در مقاله "محل عبور اطلاعات کجاست؟" گفتیم، بسیاری از محیط های انتقال توانایی ارسال داده‌های دیجیتالی را ندارد و تنها می‌توانند سیگنال‌های آنالوگ را عبور دهند. بهترین مثال برای این نوع محیط ها که بسیار هم پر کاربرد است، محیط های هدایت نشده مانند هوا، خلا و آب هستند که روزانه بسیاری از داده‌های ما توسط این محیط ها منتقل می‌شود. برای اطلاعات بیشتر مطلب اصول ارتباطات بیسیم را بخوانید.

 

تبدیل داده آنالوگ به سیگنال آنالوگ

داده‌های آنالوگ که به صورت سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌شوند به راحتی در رسانه‌های انتقال منتشر می‌شوند. پس چرا از تبدیل داده آنالوگ به سیگنال آنالوگ استفاده می‌کنیم؟

در برخی از محیط‌های انتقال، سیگنال‌های سینوسی خاصی بهتر منتشر می‌شوند. ما نیز برای استفاده هرچه بهتر از آن محیط، داده آنالوگ خود بر موج‌های سینوسی حامل سوار می‌کنیم. تبدیل داده آنالوگ به سیگنال آنالوگ، برای استفاده هر چه بهتر از پهنای باند هم مطرح می‌شود. زیرا با این روش می‌توانیم داده های مختلفی را روی سیگنال‌های حامل با فرکانس‌های متفاوت سوار کنیم. با این روش چندین سیگنال هر کدام در طیفی متفاوت با یکدیگر ارسال می‌شوند که به آن تقسیم فرکانسی می‌گویند.

 

در مقالات بعدی با تکنیک های کد گذاری آشنا خواهیم شد.