phpRS

Dnešní datum: 28. 10. 2020   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Download | Weblinks |    

  Hlavní menu
  • Hlavní stránka
  • Seznam rubrik
  • Download
  • Weblinks
  • Ankety
  • TOP 15
  • Personalizace
  • Roz?ířené 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 (7944 přečtení)

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

    Často se setkávám s názorem, ?e integrovat fotoaparát či kameru do mobilu je nesmysl, nebo? taková kamera nikdy nemů?e dosáhnout parametrů dne?ního ?pičkového samostatného zařízení. Nejčastěj?ím argumentem je omezení dané rozměry pou?ité optiky, která musí být u malého mobilu jak jinak ne? malá.

    Malé rozměry objektivu skutečně kladou nepřekonatelná fyzikální omezení dosa?itelnému rozli?ení. Dosa?itelné rozli?ení má v?ak i za pou?ití klasické koncepce (čočka) je?tě jisté rezervy. Vezměme si například lidské oko, které není svými rozměry o moc vět?í ne? kamery v mobilech, a tak by se do mobilu ve?lo. Kdy? se podívám na výletě z rozhledny na město, nestačím se divit kolik vidím detailů. Jakou ú?asnou rozli?ovací schopnost má lidské oko. Porovnám-li obrázky z lidského oka s obrázky z dne?ních kamer v mobilech, musím se pousmát. Kamery v mobilech mají skutečně je?tě velké rezervy.

    Ve chvíli, kdy nanotechnologická výroba umo?ní vytvořit stejně dokonalé kamery pro mobily jako je lidské oko, dostaneme se ke skutečným hranicím dosa?itelného rozli?ení při daných rozměrech. Otázka zní a co dál? To se vývoj zastaví?

    Ano, pro je?tě vět?í rozli?ení bychom museli zvět?it rozměry. Zamysleme se, opravdu by to ne?lo vyře?it nějak jinak? Ne, ne?lo. 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 v?dy? rozměry objektivu kamery jsou podstatně men?í ne? rozměry mobilu. Ne?lo by vyu?ít pro snímání obrazu celé plochy mobilu na místo několika málo procent, které představují pou?ití klasického objektivu s čočkou?

    Nóóó, to je jiná káva. Na to fyzika sly?í. Několikanásobně vět?í plocha snímače bude znamenat několikanásobně vět?í rozli?ení. Jak to ale udělat bez čočky? Kdy? 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, proto?e ne ka?dý bude hledat v Googlovi, co to je anténní pole.

    Jak ji? název napovídá jedná se o pole plné antén. U? jste viděli pole slunečnic? Fajn, tak si ho ve svých vzpomínkách před sebou vybavte. A teď si představte, ?e ka?dá 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, ?e se AP chová jako jediná velká anténa s časově proměnnou anténní charakteristikou.

    Teď si řeknete, s těma slunečnicema jsem to je?tě pochopil, ale to fázování, to jsem nějak mimo. Dobře neztrácejme drahocenný čas problematikou AP. Zájemci mohou vyu?ít slu?eb nejlep?ího knihovníka mistra Googla. Doporučuji a? po dočtení mého článku :-)

    AP lze pou?ít k vysílání i přijímání radiových signálů. AP například pou?ívají 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 uva?uje i v oblasti mobilních komunikací, kdy by základnová stanice nevysílala vysokofrekvenční energii pro konkrétního u?ivatele do celého prostoru své buňky, ale prostřednictvím AP by namířila na konkrétního telefonistu jeho vlastní svazek. Tak bychom výrazně sní?ili interference a vzrostla by kvalita a kapacita poskytovaného kanálu. Zároveň by nedocházelo ke zbytečnému ozařování v?ech 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 u?etřilo na účtech za elektřinu (potřebná energie do směrového kanálu je podstatně ni??í ne? plo?né plýtvání.

    Světlo je elektromagnetické záření o vysokém kmitočtu (cca 10^15 Hz). Kmitočet světla je řádově miliónkrát vět?í ne? pou?ívají dne?ní počítačové procesory, mobilní telefony, mikrovlnky, radary a dal?í bě?ná zařízení. Přesto jeho podstata je stejná a lze na něj pou?ít AP. Světelné AP bude mít prvky zhruba miliónkrát men?í ne? dnes pou?ívaná 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 příslu?né kmitočty (barvy světla) odpovídající molekuly. Naskýtá se také mo?nost 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 uva?ovat i o koncepci, kdy by se fázování signálu kombinovalo s natáčením jednotlivých prvků antény pro dosa?ení lep?ích 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 fo?ák bez čočky.

    Na první pohled je v?ak zřejmé, ?e taková kamera bude mít velmi malou citlivost. Bude toti? vyu?ívat pouze zlomek z dopadajícího světla. A čím bude rozli?ovací schopnost vy??í, tj. svazek u??í, tím bude citlivost men?í (méně zachycených fotonů za jednotku času). Ře?ením je pou?ít více paprsků najednou. U AP lze zvolit koncepci kontinuálního záznamu signálu ze v?ech prvků AP a teprve následným zpracováním signálu formovat anténní charakteristiku, tj. lze dosáhnout toho, ?e AP bude mít v ka?dém konkrétním okam?iku jakoby více anténních charakteristik (paprsků) najednou. Tak mů?eme mít světelné AP snímající z biliónu paprsků o různých směrech najednou, čím? dosáhneme fantastické citlivosti i rozli?ovací schopnosti. Tato koncepce klade více jak biliónkrát vět?í nároky na uchování a zpracování signálu, ale grid nanopočítačů si s tímto snadno paralelizovatelným úkolem poradí.

    Povrch mobilu mů?eme pokrýt více anténními poli najednou. Pokud dipóly jednoho anténního pole budou dostatečně daleko od sebe, aby se mezi ně ve?ly 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 u?ivatelova nastavení, zároveň bude schopna snímat okolí v sub-milimetrovém, infra, optickém i UV pásmu, co? poslou?í jako kamera s velkým rozli?ením. Toto mů?e 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 výbu?nin). Dále mů?e mobilka vykreslovat paprskem obraz přímo do sítnice (AP se pro retinální projekci ideálně hodí). Zároveň bude mobil přes AP vyu?ívat solární energii.

    Podívejme se blí?e na vyu?ití 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. pou?ijeme 300 nm dlouhé nanotrubky, pokud mo?no tenké SW, co? 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 oří?ek, který na své rozlousknutí teprve čeká (uvnitř tohoto oří?ku je v?ak pěkně velké a chutné jádro :-) resp. pokud se to podaří dostatečně rychle, tak nebude muset jít celá na?e civilizace do jádra... ropa, plyn a nakonec i uhlí nám moc dlouho nevydr?í, na povrch Země dopadá solární výkon cca 180 tisíc TW, spotřeba civilizace je cca 16 TW, tj. stačí pokrýt v?echny střechy solárním AP :-).

    Jak to celé vyrobit?
    Vytvořit příslu?né dipóly umíme (nanotrubky s vhodnou vodivostí, délkou a tlou??kou). Rozmístit je na substrát (třeba silikonový - s ním jsou zatím asi největ?í zku?enosti) definovaným způsobem (dipóly je zapotřebí různě orientovat, aby AP zpracovávalo solární energii z různě polarizovaných vln a dosahovalo tak lep?í účinnosti) by také neměl být problém (otázkou spí?e je, jak to udělat hodně levně). Pro je?tě lep?í účinnost by bylo vhodněj?í pou?ít vícevrstvou architekturu, kde v různých vrstvách jsou různě dlouhé nanotrubky - dipóly. Nejkrat?í na povrchu a nejdel?í 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, kde?to del?í vlny budou procházet dál do dal?í vrstvy, kde budou del?í nanotrubky, které budou pohlcovat zelené a v dal?í vrstvě ?luté a v dal?í červené a v poslední infračervené fotony. Ve vrstvách SAP se přeměňuje solární energie na oscilující proudy a napětí. Problémem je propojit jednotlivé dipóly pokud mo?no beze ztrát. Navrch takto vygenerovaná elektrická energie je hodně vysokofrekvenční. Má stejnou frekvenci jako příslu?né fotony (tj. téměř 10^15 Hz) a ka?dá 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 dal?í vyu?ití usměrněna. Věřím, ?e se podaří najít molekulu, která by se dala pro tento účel pou?ít jako dioda. Zatím tento úkol na někoho čeká (vývoj je ale tak rychlý, ?e mo?ná zatímco pí?i tento článeček, tak si ji? někde v Japonsku někdo maluje onu molekulu na kousek papíru :-).

    Nyní se podívejme blí?e na vyu?ití AP v oblasti optické projekce. Zde mů?eme očekávat skutečně velmi zajímavé výsledky. Jak jsem ji? na začátku článku slíbil podíváme se na mo?nosti reprodukce skutečně realistického obrazu. Často se setkávám s názorem, ?e plastický 3D obraz je vytvářen díky tomu, ?e máme dvě oči, které vidí dva posunuté různé obrazy, jejich? kombinací v mozku vzniká dojem plasticity 3D scény. Toto je pravda, ale nikoli celá pravda :-), a proto systémy zalo?ené pouze na principu různého promítání obrazu do levého a pravého oka nemohou dosáhnout skutečně věrné reprodukce 3D scény. Vtip je v tom, ?e i pouze jedním okem jsme schopni vidět plasticky nebo chcete-li 3D. Kdo nevěří, tak a? si vyfotí pohled na svůj půlitr piva velice kvalitním fotoaparátem s velkým rozli?ením a poté tento snímek porovná se skutečným pohledem jedním okem (druhé oko zakryté dlaní). Půlitr se jeví sledován jedním okem ve skutečnosti tak nějak plastičtěj?í ne? sledováno jedním okem na pořízeném snímku. Ano i pouze jedním okem máme mo?nost vnímat plasticitu scény. Hloubka plasticity je v?ak mnohem men?í ne? při sledování oběma očima (jedno oko do cca 4 metrů, obě oči do cca 150 metrů), a proto si v?echny mně známé realizované systémy zatím vystačí s promítáním odli?ných 2D obrazů do obou očí. My v?ak chceme dokonalý zá?itek a najít způsob jak zcela věrně, tj. lidskýma očima nerozeznatelně, reprodukovat 3D scénu.

    Pro věrnou projekci potřebujeme promítání ze v?ech bodů obklopujících oči a přitom z ka?dého 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. Bohu?el toto není zrovna snadný úkol a ani nejmoderněj?í retinální projektory, které vykreslují obraz laserovým paprskem přímo na sítnici očí nejsou schopné tuto úlohu zvládnout. Lze říci, ?e takový retinální projektor doká?e dost dobře reprezentovat pouze jeden jediný bod námi po?adovaného projektoru, proto?e v?echno 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 mo?ností konstrukce retinálního projektoru skutečně reálného obrazu, dále jen RPSRO, by bylo pou?ít tohoto ji? vyvinutého konceptu a pomno?it jej do podoby mnoha miliónů mikrozrcátek. Takové ře?ení se někomu mů?e zdát poněkud ?ílené, ale ji? dnes jsou na trhu projektory (nikoli retinální), které vyu?ívají celé soustavy mikrozrcátek. Jedná se o jednu z prvních komerčně úspě?ných technologií z oblasti MEMS prvků. Tyto projektory bývají označeny zkratkou DLP (digital light processing) a na čipu mají umístěno milión a? dva milióny polohovatelných mikrozrcátek. Mikrozrcátka se v?ak otáčejí pouze ve směru jedné osy v rozsahu 10-12 úhlových stupňů, co? je pro účely RPSRO málo. Navrch nemají ka?dé svůj zdroj modulované světelné energie (samy jsou pou?ívány jako modulátor). Pro pou?ití v RPSRO jsou také příli? pomalá. Pro účely RPSRO by bylo zapotřebí zmíněná mikrozrcátka zdokonalit a zmen?it. Při zmen?ení rozměrů mikrozrcátek by se snadno dosáhlo i jejich potřebného zrychlení. Přesto mne podstatně více láká pou?ít pro RPSRO koncept SAP. V?dy mne více lákaly koncepty, které neobsahují pohyblivé části (mo?ná proto jsem studoval elektro a ne strojařinu, no, ale bohu?el jsem se při studiu dozvěděl, ?e elektrony se pohybují :-/, a tak jsem si vytvořil teorii, ?e stejnak celý vesmír je stvořen z nepohyblivých oscilatronů - pohybující se elektrony jsou jen jedním popisem speciálního stavu oscilatronů :-) teď kecám, vra?me se k tématu B-).

    SAP vhodný pro RPSRO si mů?eme představit jako soustavu anténních polí, která pokrývá bezezbytku poloprostor před oční bulvou. Pro pochopení bude nejlep?í následující. Představte si, ?e 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 ?patné nebo ?patně nasazené plavecké brýle ;-). Ka?dý světelný paprsek z okolního světa, který prochází skrz plavecké brýle, má svoji intenzitu, barvu a směr. Ka?dý 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 vý?e popsanými brýlemi, které mají SAP jak na povrchu tak uvnitř skořepin, by bylo mo?né 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 nepři?lo zkrátka ani periferní vidění (na rozdíl od plaveckých brýlí by se v?ak v prostoru periferního vidění nenacházela těsnící guma, a tak by bylo s tímto projektorem vidět lépe ne? s plaveckými brýlemi). RPSRO by byl skutečně dokonalý a obraz by byl prostým lidským okem nerozli?itelný od reality.

    Nyní si představme, ?e SAPem pokryjeme celou kombinézu a helmu. Kombinéza bude snímat na nás dopadající světelné pole a nanopočítačový grid bude provádět nejvěrohodněj?í odhad světelného pole, které bude reprodukováno na druhé straně obleku. Tímto způsobem bude světlo odra?ené ze sloupu, který se před námi nachází zachyceno přední bři?ní částí kombinézy a na zádech bude onen sloup promítnut tak, aby za námi stojící pozorovatel mohl sloup neru?eně sledovat a my jsme mu nezacláněli. Tomu se říká optická neviditelnost :-). Helma bude narozdíl od kombinézy uzpůsobena tak, ?e 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, ?e lidské tělo je téměř dokonalé a proces evoluce zůstává pro normálního smrtelníka prakticky nedotknutelný. V?dy mne baví takové lidi tro?ičku podrá?dit :-) Jistě se tací i mezi čtenáři najdou... tak hrrr na ně! ;-)

    Nejen ?e evoluce nevyu?ila celou plochu ?ivočicha pro shroma?ďování informací v sub-milimetrovém, infra, optickém a UV oboru spektra (těch pár termo a tlakoreceptorů je skoro k smíchu), ale nevyu?ila ani podstatně jednodu??ích konceptů, např. stavbu kostí z nanotrubek. Je mi jasné, ?e vzhledem k vysoké hmotnosti a nízkému výskytu ?eleza v přírodě, nesáhla evoluce po konceptu ocelových kostí. Ocelová kostra by byla příli? tě?ká a bylo by velice zdlouhavé nashromá?dit dostatečné mno?ství ?eleza a dal?ích prvků v organizmu. Uhlíku je v?ak v bě?né stravě obrovské mno?ství. Nejsem odborník přes stravování, ale řekl bych, ?e je uhlíku v bě?né stravě více ne? vápníku, přesto ná? organizmus staví kosti z vápníku a nikoliv z uhlíkových nanotrubek. Přitom kosti z uhlíkových nanotrubek by byly při dané pevnosti mnohonásobně lehčí, co? by zejména ocenili ptáci nebo sportovci skákající do vý?ky. Opravdu pozoruhodné, ?e evoluce jako?to mistr na práci s uhlíkem zcela ponechala stranou vyu?ití uhlíkových nanotrubek. Na tomto příkladě s nanotrubkami je krásně vidět, ?e zdokonalování organizmů rozhodně není u konce, nebo? je mo?né i pouze v materiálové oblasti jít mnohem dál nato? na poli celých systémů (zamyslete se jen nad aplikacemi SAP). Je vskutku zajímavé, ?e se evoluce, která je obklopena uhlíkem a s uhlíkem to vá?ně moc dobře umí, ře?ení z uhlíkových nanotrubek zatím ani nedotkla. Takový opticky neviditelný lev s kostrou z fulerenových kompozitů s viděním a sly?ením povrchem celého svého těla by byl nepochybně králem bu?e. Bohu?el by asi tě?ko hledal samice ke spáření, pokud by i ony byly neviditelné ;-).

    Na závěr bych měl je?tě zmínit bezdrátový přenos energie. O aplikaci bezdrátového přenosu energie snil ji? Nikola Tesla. S pomocí SAP bychom se mohli uvedeného konečně dočkat. Vtipněj?ím čtenářům je to ji? 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, co? ústí v časové kapacity tak na jeden a? dva články ročně. Popi?te dal?í aplikace SAP nebo onen bezdrátový přenos energie (vyu?ití SAP pro vesmírný výtah ? pokud máte rádi vzne?eněj?í témata apod.). Příspěvky zasílejte na email gofi@email.cz. Nejvtipněj?í práce budou s va?ím 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 
     (1855 hl.)
    do 20-ti let 
     (1462 hl.)
    do 50-ti let 
     (1429 hl.)
    nikdy 
     (1804 hl.)

    Celkem hlasovalo: 6550


      Kalendář
    <<  Říjen  >>
    PoÚtStČtSoNe
       1234
    567891011
    12131415161718
    19202122232425
    262728293031 

    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.