phpRS

Dnešní datum: 19. 08. 2017   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Download | Weblinks |    

  Hlavní menu
  • Hlavní stránka
  • Seznam rubrik
  • Download
  • Weblinks
  • Ankety
  • TOP 15
  • Personalizace
  • Rozšířené vyhledávání

  •   Vyhledávání

    Hledej
    v nanotechnologiích!



      Informace
    NanoTech
    svět lidí z molekul
    Copyright
    Michal Václavík, 2004

    Nanotech způsobí revoluci i v optice
    Vydáno dne 02. 01. 2005 (7563 přečtení)

    ~2800 slov
    Kamera v mobilu s obrovským rozlišením, zařízení na skutečně věrnou reprodukci prostorového obrazu, nový druh fotovoltaiky, mobilní komunikace terabitovými rychlostmi, optická neviditelnost a bezdrátová distribuce elektrické energie. To vše a ještě mnohem více vhodnými aplikacemi jednoho vtipného nanotech systému.

    Často se setkávám s názorem, že integrovat fotoaparát či kameru do mobilu je nesmysl, neboť taková kamera nikdy nemůže dosáhnout parametrů dnešního špičkového samostatného zařízení. Nejčastějším argumentem je omezení dané rozměry použité optiky, která musí být u malého mobilu jak jinak než malá.

    Malé rozměry objektivu skutečně kladou nepřekonatelná fyzikální omezení dosažitelnému rozlišení. Dosažitelné rozlišení má však i za použití klasické koncepce (čočka) ještě jisté rezervy. Vezměme si například lidské oko, které není svými rozměry o moc větší než kamery v mobilech, a tak by se do mobilu vešlo. Když se podívám na výletě z rozhledny na město, nestačím se divit kolik vidím detailů. Jakou úžasnou rozlišovací schopnost má lidské oko. Porovnám-li obrázky z lidského oka s obrázky z dnešních kamer v mobilech, musím se pousmát. Kamery v mobilech mají skutečně ještě velké rezervy.

    Ve chvíli, kdy nanotechnologická výroba umožní vytvořit stejně dokonalé kamery pro mobily jako je lidské oko, dostaneme se ke skutečným hranicím dosažitelného rozlišení při daných rozměrech. Otázka zní a co dál? To se vývoj zastaví?

    Ano, pro ještě větší rozlišení bychom museli zvětšit rozměry. Zamysleme se, opravdu by to nešlo vyřešit nějak jinak? Ne, nešlo. Dobře, máme dané rozměry mobilního telefonu. V mobilním telefonu je kamera a ta má také dané rozměry. S tím nelze nic dělat. Nechceme mobil velký jako batoh. No jo, ale vždyť rozměry objektivu kamery jsou podstatně menší než rozměry mobilu. Nešlo by využít pro snímání obrazu celé plochy mobilu na místo několika málo procent, které představují použití klasického objektivu s čočkou?

    Nóóó, to je jiná káva. Na to fyzika slyší. Několikanásobně větší plocha snímače bude znamenat několikanásobně větší rozlišení. Jak to ale udělat bez čočky? Když dám na celý kryt telefonu světlocitlivou fólii získám jen světelné skvrny (podle toho kam zrovna padne více světla a kam stín) místo krásně ostrého obrazu. Odpovědí je miniaturní anténní pole. Nyní si dovolím udělat malou odbočku, protože ne každý bude hledat v Googlovi, co to je anténní pole.

    Jak již název napovídá jedná se o pole plné antén. Už jste viděli pole slunečnic? Fajn, tak si ho ve svých vzpomínkách před sebou vybavte. A teď si představte, že každá ta slunečnice je anténa. No a máte anténní pole. Jednotlivé antény anténního pole (dále jen AP) jsou propojeny napáječem, který do nich přivádí signál. Různým fázováním signálu v čase do jednotlivých antén AP lze dosáhnout toho, že se AP chová jako jediná velká anténa s časově proměnnou anténní charakteristikou.

    Teď si řeknete, s těma slunečnicema jsem to ještě pochopil, ale to fázování, to jsem nějak mimo. Dobře neztrácejme drahocenný čas problematikou AP. Zájemci mohou využít služeb nejlepšího knihovníka mistra Googla. Doporučuji až po dočtení mého článku :-)

    AP lze použít k vysílání i přijímání radiových signálů. AP například používají některé radary. Časově proměnnou anténní charakteristiku si lze pak představit jako úzký paprsek pročesávající prostor před radarem. Ten úzký paprsek je hlavní lalok anténní charakteristiky AP. O nasazení AP se reálně uvažuje i v oblasti mobilních komunikací, kdy by základnová stanice nevysílala vysokofrekvenční energii pro konkrétního uživatele do celého prostoru své buňky, ale prostřednictvím AP by namířila na konkrétního telefonistu jeho vlastní svazek. Tak bychom výrazně snížili interference a vzrostla by kvalita a kapacita poskytovaného kanálu. Zároveň by nedocházelo ke zbytečnému ozařování všech ostatních lidí, kteří se v buňce nacházejí a právě netelefonují (docházelo by pouze k nezbytnému ozařování, musel by se pochopitelně vysílat v celé buňce broadcast a paging). Také by se ušetřilo na účtech za elektřinu (potřebná energie do směrového kanálu je podstatně nižší než plošné plýtvání.

    Světlo je elektromagnetické záření o vysokém kmitočtu (cca 10^15 Hz). Kmitočet světla je řádově miliónkrát větší než používají dnešní počítačové procesory, mobilní telefony, mikrovlnky, radary a další běžná zařízení. Přesto jeho podstata je stejná a lze na něj použít AP. Světelné AP bude mít prvky zhruba miliónkrát menší než dnes používaná AP. Tak se dostáváme na prvky o rozměrech řádově 100 nm. To jsou rozměry řádově téměř tisícovky vedle sebe vyrovnaných atomů, tj. rozměry některých velkých molekul. Zbývá nám najít pro příslušné kmitočty (barvy světla) odpovídající molekuly. Naskýtá se také možnost postavit dipól či dokonce Yagiho anténu z nanotrubek. Tvar nanotrubek a dipólové antény se k tomu přímo nabízí. Z dipólů pak vytvoříme AP. Vzhledem ke snadné mobilitě molekul lze uvažovat i o koncepci, kdy by se fázování signálu kombinovalo s natáčením jednotlivých prvků antény pro dosažení lepších parametrů AP. Dobře, pokryjeme tedy povrch mobilu anténním polem AP. Pomyslný paprsek bude pročesávat prostor před námi ve světelném oboru spektra a sestaví tak obraz. Ano takto by mohla fungovat kamera a foťák bez čočky.

    Na první pohled je však zřejmé, že taková kamera bude mít velmi malou citlivost. Bude totiž využívat pouze zlomek z dopadajícího světla. A čím bude rozlišovací schopnost vyšší, tj. svazek užší, tím bude citlivost menší (méně zachycených fotonů za jednotku času). Řešením je použít více paprsků najednou. U AP lze zvolit koncepci kontinuálního záznamu signálu ze všech prvků AP a teprve následným zpracováním signálu formovat anténní charakteristiku, tj. lze dosáhnout toho, že AP bude mít v každém konkrétním okamžiku jakoby více anténních charakteristik (paprsků) najednou. Tak můžeme mít světelné AP snímající z biliónu paprsků o různých směrech najednou, čímž dosáhneme fantastické citlivosti i rozlišovací schopnosti. Tato koncepce klade více jak biliónkrát větší nároky na uchování a zpracování signálu, ale grid nanopočítačů si s tímto snadno paralelizovatelným úkolem poradí.

    Povrch mobilu můžeme pokrýt více anténními poli najednou. Pokud dipóly jednoho anténního pole budou dostatečně daleko od sebe, aby se mezi ně vešly dipóly jiného anténního pole, získáme soustavu anténních polí. Jednotlivá anténní pole budou pracovat pro různé frekvence (budou mít různé velikosti dipólů - nanotrubek). Tak zajistíme komunikaci mobilky s ostatními zařízeními v infraoboru či submilimetrovém pásmu, v optickém oboru bude mobilka zobrazovat na svém povrchu informace jako na display a bude moci měnit svůj skin (vzhled) dle uživatelova nastavení, zároveň bude schopna snímat okolí v sub-milimetrovém, infra, optickém i UV pásmu, což poslouží jako kamera s velkým rozlišením. Toto může být napojeno na diagnostické systémy pro rychlé určování zdravotní diagnózy na dálku nebo napojeno na systémy osobní bezpečnosti (určování polohy, sledování okolí, detekce potenciálně nebezpečných látek a objektů - výskyt zbraní či výbušnin). Dále může mobilka vykreslovat paprskem obraz přímo do sítnice (AP se pro retinální projekci ideálně hodí). Zároveň bude mobil přes AP využívat solární energii.

    Podívejme se blíže na využití AP v oblasti solární energetiky. Pokud si dobře vzpomínám, tak Slunce svítí jako černé těleso maximálně na vlnové délce necelých 600 nm. Pokud vytvoříme AP s půlvlnnými dipóly (tj. použijeme 300 nm dlouhé nanotrubky, pokud možno tenké SW, což není problém), pak dopadající sluneční světlo v nich bude generovat střídavý proud. Pokud k dipólům přivedeme vodivý napáječ (nanotrubky jsou vodivé), budeme moci tento střídavý proud "sosat". Po fyzikální stránce je transformace světla na elektřinu tímto způsobem velmi jednoduchá. Po technologické stránce je to trochu oříšek, který na své rozlousknutí teprve čeká (uvnitř tohoto oříšku je však pěkně velké a chutné jádro :-) resp. pokud se to podaří dostatečně rychle, tak nebude muset jít celá naše civilizace do jádra... ropa, plyn a nakonec i uhlí nám moc dlouho nevydrží, na povrch Země dopadá solární výkon cca 180 tisíc TW, spotřeba civilizace je cca 16 TW, tj. stačí pokrýt všechny střechy solárním AP :-).

    Jak to celé vyrobit?
    Vytvořit příslušné dipóly umíme (nanotrubky s vhodnou vodivostí, délkou a tloušťkou). Rozmístit je na substrát (třeba silikonový - s ním jsou zatím asi největší zkušenosti) definovaným způsobem (dipóly je zapotřebí různě orientovat, aby AP zpracovávalo solární energii z různě polarizovaných vln a dosahovalo tak lepší účinnosti) by také neměl být problém (otázkou spíše je, jak to udělat hodně levně). Pro ještě lepší účinnost by bylo vhodnější použít vícevrstvou architekturu, kde v různých vrstvách jsou různě dlouhé nanotrubky - dipóly. Nejkratší na povrchu a nejdelší vespod - vzhledem k hloubce vniku elmag vlny. Tuto strukturu nazvěme sandwitchové AP = dále SAP. Dopadající solární záření obsahuje různé vlnové délky. Modré fotony budou rezonovat s krátkými nanotrubkami na povrchu, kdežto delší vlny budou procházet dál do další vrstvy, kde budou delší nanotrubky, které budou pohlcovat zelené a v další vrstvě žluté a v další červené a v poslední infračervené fotony. Ve vrstvách SAP se přeměňuje solární energie na oscilující proudy a napětí. Problémem je propojit jednotlivé dipóly pokud možno beze ztrát. Navrch takto vygenerovaná elektrická energie je hodně vysokofrekvenční. Má stejnou frekvenci jako příslušné fotony (tj. téměř 10^15 Hz) a každá vrstva SAP kmitá jinou frekvencí. Současným technologickým problémem je vytvořit diodu pracující na takto vysoké frekvenci s rozumnou účinností, aby elektrická energie mohla být pro další využití usměrněna. Věřím, že se podaří najít molekulu, která by se dala pro tento účel použít jako dioda. Zatím tento úkol na někoho čeká (vývoj je ale tak rychlý, že možná zatímco píši tento článeček, tak si již někde v Japonsku někdo maluje onu molekulu na kousek papíru :-).

    Nyní se podívejme blíže na využití AP v oblasti optické projekce. Zde můžeme očekávat skutečně velmi zajímavé výsledky. Jak jsem již na začátku článku slíbil podíváme se na možnosti reprodukce skutečně realistického obrazu. Často se setkávám s názorem, že plastický 3D obraz je vytvářen díky tomu, že máme dvě oči, které vidí dva posunuté různé obrazy, jejichž kombinací v mozku vzniká dojem plasticity 3D scény. Toto je pravda, ale nikoli celá pravda :-), a proto systémy založené pouze na principu různého promítání obrazu do levého a pravého oka nemohou dosáhnout skutečně věrné reprodukce 3D scény. Vtip je v tom, že i pouze jedním okem jsme schopni vidět plasticky nebo chcete-li 3D. Kdo nevěří, tak ať si vyfotí pohled na svůj půlitr piva velice kvalitním fotoaparátem s velkým rozlišením a poté tento snímek porovná se skutečným pohledem jedním okem (druhé oko zakryté dlaní). Půlitr se jeví sledován jedním okem ve skutečnosti tak nějak plastičtější než sledováno jedním okem na pořízeném snímku. Ano i pouze jedním okem máme možnost vnímat plasticitu scény. Hloubka plasticity je však mnohem menší než při sledování oběma očima (jedno oko do cca 4 metrů, obě oči do cca 150 metrů), a proto si všechny mně známé realizované systémy zatím vystačí s promítáním odlišných 2D obrazů do obou očí. My však chceme dokonalý zážitek a najít způsob jak zcela věrně, tj. lidskýma očima nerozeznatelně, reprodukovat 3D scénu.

    Pro věrnou projekci potřebujeme promítání ze všech bodů obklopujících oči a přitom z každého takového bodu s různou intenzitou pod různými úhly. Jedině tak budeme schopni v prostoru lidského oka vytvořit světelné pole, které bude se světelným polem skutečné 3D scény naprosto ekvivalentní. Bohužel toto není zrovna snadný úkol a ani nejmodernější retinální projektory, které vykreslují obraz laserovým paprskem přímo na sítnici očí nejsou schopné tuto úlohu zvládnout. Lze říci, že takový retinální projektor dokáže dost dobře reprezentovat pouze jeden jediný bod námi požadovaného projektoru, protože všechno světlo vychází pod různými úhly s různou intenzitou z jediného bodu, který se nalézá před oční bulvou a je v jeho místě umístěno mikrozrcátko, které mění směr laserového paprsku. Ano jednou z možností konstrukce retinálního projektoru skutečně reálného obrazu, dále jen RPSRO, by bylo použít tohoto již vyvinutého konceptu a pomnožit jej do podoby mnoha miliónů mikrozrcátek. Takové řešení se někomu může zdát poněkud šílené, ale již dnes jsou na trhu projektory (nikoli retinální), které využívají celé soustavy mikrozrcátek. Jedná se o jednu z prvních komerčně úspěšných technologií z oblasti MEMS prvků. Tyto projektory bývají označeny zkratkou DLP (digital light processing) a na čipu mají umístěno milión až dva milióny polohovatelných mikrozrcátek. Mikrozrcátka se však otáčejí pouze ve směru jedné osy v rozsahu 10-12 úhlových stupňů, což je pro účely RPSRO málo. Navrch nemají každé svůj zdroj modulované světelné energie (samy jsou používány jako modulátor). Pro použití v RPSRO jsou také příliš pomalá. Pro účely RPSRO by bylo zapotřebí zmíněná mikrozrcátka zdokonalit a zmenšit. Při zmenšení rozměrů mikrozrcátek by se snadno dosáhlo i jejich potřebného zrychlení. Přesto mne podstatně více láká použít pro RPSRO koncept SAP. Vždy mne více lákaly koncepty, které neobsahují pohyblivé části (možná proto jsem studoval elektro a ne strojařinu, no, ale bohužel jsem se při studiu dozvěděl, že elektrony se pohybují :-/, a tak jsem si vytvořil teorii, že stejnak celý vesmír je stvořen z nepohyblivých oscilatronů - pohybující se elektrony jsou jen jedním popisem speciálního stavu oscilatronů :-) teď kecám, vraťme se k tématu B-).

    SAP vhodný pro RPSRO si můžeme představit jako soustavu anténních polí, která pokrývá bezezbytku poloprostor před oční bulvou. Pro pochopení bude nejlepší následující. Představte si, že máte nasazené plavecké brýle. Plavecké brýle oddělují povrch oční bulvy od okolního světa bezezbytku. Pokud by tomu tak nebylo, natekla by vám do brýlí voda a to by byly špatné nebo špatně nasazené plavecké brýle ;-). Každý světelný paprsek z okolního světa, který prochází skrz plavecké brýle, má svoji intenzitu, barvu a směr. Každý takový paprsek protne skořepinu plaveckých brýlí v některém přesně definovaném místě. Pokud v tomto bodě tento paprsek pohltíme (např. anténou SAP) a následně jej na druhé straně skořepiny prostřednictvím SAP vygenerujeme v přesně stejném místě s tou samou intenzitou, barvou (tj. frekvencí) a směrem, pak skrz brýle uvidíme jako by paprsek nebyl pohlcen a znovu reprodukován. S výše popsanými brýlemi, které mají SAP jak na povrchu tak uvnitř skořepin, by bylo možné provádět nahrávání, tj. takové brýle by fungovaly jako kamera pro RPSRO. Tak jako u plaveckých brýlí by byl plně vyplněn celý poloprostor, a tak by nepřišlo zkrátka ani periferní vidění (na rozdíl od plaveckých brýlí by se však v prostoru periferního vidění nenacházela těsnící guma, a tak by bylo s tímto projektorem vidět lépe než s plaveckými brýlemi). RPSRO by byl skutečně dokonalý a obraz by byl prostým lidským okem nerozlišitelný od reality.

    Nyní si představme, že SAPem pokryjeme celou kombinézu a helmu. Kombinéza bude snímat na nás dopadající světelné pole a nanopočítačový grid bude provádět nejvěrohodnější odhad světelného pole, které bude reprodukováno na druhé straně obleku. Tímto způsobem bude světlo odražené ze sloupu, který se před námi nachází zachyceno přední břišní částí kombinézy a na zádech bude onen sloup promítnut tak, aby za námi stojící pozorovatel mohl sloup nerušeně sledovat a my jsme mu nezacláněli. Tomu se říká optická neviditelnost :-). Helma bude narozdíl od kombinézy uzpůsobena tak, že bude zpředu snímaný obraz nejen reprodukovat na zadní straně, ale bude ho také promítat z přední vnitřní strany helmy, abychom viděli na cestu a nezabloudili.

    Někteří lidé si myslí, že lidské tělo je téměř dokonalé a proces evoluce zůstává pro normálního smrtelníka prakticky nedotknutelný. Vždy mne baví takové lidi trošičku podráždit :-) Jistě se tací i mezi čtenáři najdou... tak hrrr na ně! ;-)

    Nejen že evoluce nevyužila celou plochu živočicha pro shromažďování informací v sub-milimetrovém, infra, optickém a UV oboru spektra (těch pár termo a tlakoreceptorů je skoro k smíchu), ale nevyužila ani podstatně jednodušších konceptů, např. stavbu kostí z nanotrubek. Je mi jasné, že vzhledem k vysoké hmotnosti a nízkému výskytu železa v přírodě, nesáhla evoluce po konceptu ocelových kostí. Ocelová kostra by byla příliš těžká a bylo by velice zdlouhavé nashromáždit dostatečné množství železa a dalších prvků v organizmu. Uhlíku je však v běžné stravě obrovské množství. Nejsem odborník přes stravování, ale řekl bych, že je uhlíku v běžné stravě více než vápníku, přesto náš organizmus staví kosti z vápníku a nikoliv z uhlíkových nanotrubek. Přitom kosti z uhlíkových nanotrubek by byly při dané pevnosti mnohonásobně lehčí, což by zejména ocenili ptáci nebo sportovci skákající do výšky. Opravdu pozoruhodné, že evoluce jakožto mistr na práci s uhlíkem zcela ponechala stranou využití uhlíkových nanotrubek. Na tomto příkladě s nanotrubkami je krásně vidět, že zdokonalování organizmů rozhodně není u konce, neboť je možné i pouze v materiálové oblasti jít mnohem dál natož na poli celých systémů (zamyslete se jen nad aplikacemi SAP). Je vskutku zajímavé, že se evoluce, která je obklopena uhlíkem a s uhlíkem to vážně moc dobře umí, řešení z uhlíkových nanotrubek zatím ani nedotkla. Takový opticky neviditelný lev s kostrou z fulerenových kompozitů s viděním a slyšením povrchem celého svého těla by byl nepochybně králem buše. Bohužel by asi těžko hledal samice ke spáření, pokud by i ony byly neviditelné ;-).

    Na závěr bych měl ještě zmínit bezdrátový přenos energie. O aplikaci bezdrátového přenosu energie snil již Nikola Tesla. S pomocí SAP bychom se mohli uvedeného konečně dočkat. Vtipnějším čtenářům je to již nepochybně jasné, a tak jsem si na vás vymyslel následující. Proč bych měl na nanotech.wz.cz psát jen já? Mám málo času a nanotech.wz.cz je prioritou momentálně na devátém místě, což ústí v časové kapacity tak na jeden až dva články ročně. Popište další aplikace SAP nebo onen bezdrátový přenos energie (využití SAP pro vesmírný výtah – pokud máte rádi vznešenější témata apod.). Příspěvky zasílejte na email gofi@email.cz. Nejvtipnější práce budou s vaším svolením publikovány na nanotech.wz.cz.



    ( Celý článek! | Autor: Michal Václavík | Počet komentářů: 96 | Přidat komentář | Informační e-mailVytisknout článek )

      Anketa
    Samoreplikující se stroj bude vyroben

    do 10-ti let 
     (1666 hl.)
    do 20-ti let 
     (1314 hl.)
    do 50-ti let 
     (1262 hl.)
    nikdy 
     (1120 hl.)

    Celkem hlasovalo: 5362


      Kalendář
    <<  Srpen  >>
    PoÚtStČtSoNe
     123456
    78910111213
    14151617181920
    21222324252627
    28293031   

    Reklama serveru www.wz.cz. Děkuji za poskytnutí prostoru pro nanotechnologie.

    Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

    Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
    Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
    nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.