تصویربرداری حرارتی متحول شد: کشف دانشگاه رایس که دنیا رو تغییر میده!

یک گام بزرگ در تصویربرداری حرارتی: کشف دانشمندان دانشگاه رایس

تیمی از پژوهشگران دانشگاه رایس موفق به حل معمایی قدیمی در زمینه تصویربرداری حرارتی شده‌اند که حالا امکان گرفتن تصاویر واضح از اشیاء رو از پشت شیشه‌های داغ فراهم میکنه. دستاوردهای این تحقیق، که در مجله‌ی مهندسیِ ارتباطات منتشر شده، می‌تونه در زمینه‌های مختلفی مثل امنیت، نظارت، تحقیقات صنعتی و تشخیص بیماری‌ها کاربرد داشته باشه.

گوروماچ نایاک، استادِ همکار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس و محقق اصلی این مطالعه، توضیح میده: “فرض کنید بخواهید از تصویربرداری حرارتی برای دیدن واکنش‌های شیمیایی توی یه محفظه‌ی راکتور با دمای خیلی بالا استفاده کنید. مشکل اینجاست که تابش حرارتی خود شیشه، روی دوربین تأثیر می‌ذاره و اجازه نمی‌ده اشیاءِ اون طرف رو ببینیم.”

یه راه‌حل احتمالی این می‌تونه باشه که یه ماده روی شیشه بپوشونیم که تابش حرارتی به سمت دوربین رو کم کنه، اما این کار باعث میشه شیشه دیگه شفاف نباشه. برای حل این مشکل، محققان یه پوشش ویژه‌ای رو توسعه دادن که بر اساس عدم تقارن طراحی شده، تا نویز حرارتی شیشه‌ی داغ رو فیلتر کنه و کنتراست تصویربرداری حرارتی رو نسبت به روش‌های معمول، دو برابر کنه.

اصل ماجرا تو طراحی رزوناتورهای نانوسکوپی قرار داره که مثل یه چنگک کوچیک، امواج الکترومغناطیسی رو توی فرکانس‌های خاصی به دام می‌اندازن و تقویت می‌کنن. این رزوناتورها از جنس سیلیکون هستن و با یه آرایش دقیق کنار هم قرار گرفتن که کنترل خیلی دقیقی روی نحوه تابش و انتقال گرما از شیشه فراهم می‌کنه.

نایاک اضافه میکنه: “سوال جالب برای ما این بود که آیا میشه تابش حرارتیِ شیشه رو به سمت دوربین کم کرد، در حالی که انتقال خوب از طرفِ شیءِ مورد نظر برای تصویربرداری حفظ بشه؟” و بعد اشاره میکنه: “نظریه اطلاعات توی هر سیستم غیرفعال، جواب ‘نه’ رو پیشنهاد میکنه.”

تحولی نوآورانه در تصویربرداری حرارتی با استفاده از مواد فراگیر (متامواد)

با این حال، یه نقص وجود داره — در واقع، دوربین توی یه بازه‌ی فرکانسیِ محدود کار می‌کنه. ما از این نقص استفاده کردیم و یه پوششی درست کردیم که تابش حرارتی رو از شیشه به سمت دوربین توی یه باند وسیع کم میکنه، اما فقط انتقال تابش از شیءِ موردِ تصویربرداری رو توی یه باندِ باریک کاهش می‌ده.

این کار با طراحی یه متاماده انجام شد که شامل دو لایه از انواع مختلف رزوناتور هست و با یه لایه فاصله‌دهنده از هم جدا شدن. این طراحی به پوشش اجازه میده که تابش‌های حرارتی که به سمت دوربین میرن رو متوقف کنه، در حالی که به اندازه‌ی کافی شفاف هست تا تابش حرارتی از اشیاء پشت شیشه رو ثبت کنه.

سیریل ساموئل پراساد، فارغ‌التحصیل دکتری مهندسی از دانشگاه رایس و نویسنده‌ی اول این مطالعه، میگه: “راه حل ما برای این مشکل از مکانیک کوانتومی و اپتیک غیرهرمیتی الهام گرفته شده.” نتیجه‌ی این نوآوری، یه متاویندوی نامتقارن انقلابی هستش که می‌تونه تصویربرداری حرارتیِ واضح رو توی دماهایی تا 873 کلوین (حدود 600 درجه‌ی سانتی‌گراد) انجام بده.

اهمیت این پیشرفت خیلی زیاده. یکی از کاربردهای فوری اون توی فرآیندهای شیمیایی است، جایی که نظارت بر واکنش‌ها داخل محفظه‌های با دمای بالا حیاتیه. فراتر از کاربردهای صنعتی، این روش ممکنه تصویربرداری حرارتی هایپرسپکترا رو هم متحول کنه، با حل کردنِ مشکلِ قدیمیِ “اثر نرگس” که توش تابش‌های حرارتی خودِ دوربین با تصویربرداری تداخل داره.

محققان پیش‌بینی میکنن که این فناوری تو صرفه‌جویی انرژی، خنک‌سازی تابشی و حتی سیستم‌های دفاعی که تصویربرداری حرارتی دقیق توشون لازمه، کاربرد خواهد داشت. محققان تأکید کردن: “این یه نوآوریِ مخربه. ما نه تنها یه مشکل قدیمی رو حل کردیم، بلکه درهای جدیدی رو برای تصویربرداری تو شرایط سخت باز کردیم. استفاده از متاسطح‌ها و رزوناتورها به عنوان ابزارهای طراحی، احتمالاً خیلی از حوزه‌ها رو فراتر از تصویربرداری حرارتی، از دریافت انرژی تا فناوری‌های حسگریِ پیشرفته، تغییر خواهد داد.”

هنری اوریت، دانشمند ارشد در آزمایشگاه تحقیقات ارتش آمریکا و عضو هیئت علمی دانشگاه رایس، هم یکی از نویسنده‌های این مطالعه‌ست. این تحقیق با حمایت دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده تحت توافق همکاری شماره‌ی W911NF2120031 انجام شده.

“`