فناوری پنهان‌سازی در مهندسی مواد: شنل نامرئی چگونه ممکن شد؟

فناوری پنهان‌سازی یا نامرئی‌بودن، یک ابرقدرت بسیار مطلوب در قلمروهای علمی‌تخیلی و فانتزی بوده است. به نظر می‌رسد که در آینده نزدیک می‌توانیم شنل نامرئی را با استفاده از ترفندهای مهندسی به‌دست آوریم. دانشمندان و شرکت‌های خصوصی زیادی در حال‌حاضر روی فناوری نامرئی کار می‌کنند. با این‌حال، مسیر ایجاد جادوی فناوری پنهان‌سازی آن‌قدرها هم که فکر می‌کنید ساده نیست. در مقاله مهندسی مواد چیست؟ (گرایش ها، بازار کار و درآمد) به این نکته پرداختیم که یک مهندس مواد باید درک عمیقی از ساختار و خواص مواد داشته باشد. فناوری نامرئی بسیار دور از ایده‌آل است. در واقع، نه‌تنها ایجاد آن دشوار است، بلکه راه‌های مختلفی برای نامرئی‌کردن وجود دارد. یافتن مناسب‌ترین و مفیدترین گزینه مشکل است. با این‌حال، تحقیقات و نمونه‌های اولیه موجود در می‌توانند در واقع یک شنل نامرئی را زودتر از آن‌چه فکر می‌کنید مهندسی کنند و وارد بازار نمایند.

یک دستگاه پوشش واقعی باید راهی برای خم‌کردن نور به اطراف یک شخص یا شیء از همه جهات پیدا کند. با این‌حال، یکی از راه‌هایی که دانشمندان فناوری پنهان‌سازی (نامرئی) یافته‌اند، نسبتاً ساده است. آن‌ها از دوربین‌ها برای ضبط و پخش تصاویری از آن‌چه در پشت یک شیء است بر روی سطح شیء استفاده کرده‌اند و به‌نظر می‌رسد که حتی در آن‌جا نیست. در اوایل دهه ۲۰۰۰، تیمی از مهندسان دانشگاه توکیو یک سیستم استتار نوری ایجاد کردند که باعث می‌شود هر کسی که یک ماده بازتابنده منحصربه‌فرد را بپوشد نامرئی شود. از آن زمان تاکنون نسخه‌های متعددی از این فناوری ظاهر شده‌اند و هر نسخه پیشرفته‌تر می‌شود. نسخهٔ مشابه، هرچند تخیلی، این فناوری در پروتکل Ghost Mission Impossible استفاده شد.

فناوری‌های پنهان‌سازی: اصول و چالش‌ها

کلید ایجاد یک شنل نامرئی واقعی ممکن است در اطراف فرامواد متمرکز شود. این‌ها کامپوزیت‌های فلزی‌ـ‌دی‌الکتریک هستند که در مقیاس نانو مهندسی شده‌اند. ساختار کامپوزیت به‌عنوان آرایه‌ای از اتم‌های مصنوعی عمل می‌کند و تابش الکترومغناطیسی را قادر می‌سازد آزادانه از اطراف یک جسم عبور کند. فراماده نور را به اطراف جسمی که روی آن پوشانده شده هدایت می‌کند تا این توهم ایجاد شود که شیء اصلاً آن‌جا نیست. در سال ۲۰۰۶، گروهی از دانشمندان دانشگاه دوک از فرامواد برای ساختن و مهندسی یک دستگاه پوشش ساده استفاده کردند که قادر بود اشیا را از امواج مایکروویو پنهان کند. در حالی‌که نمی‌توانست اشیا را از دید انسان پنهان کند، اولین قدم مهم در ایجاد یک شنل نامرئی واقعی بود.

ده سال بعد، محققان و مهندسان دوک یک پوشش فراماده هفت‌لایه ساختند که می‌توانست از یک جسم کوچک در برابر امواج الکترومغناطیسی در تمام طول مسیر از مادون‌قرمز تا بخش‌های رادیویی طیف محافظت کند. تیم دیگری با استفاده از یک «شنل فرش» که از لایه‌های اکسید سیلیکون و نیترید سیلیکون حکاکی شده‌اند، دستگاهی ساختند که می‌تواند یک شیء را از دید انسان نامرئی کند. شنل روی یک شیء قرار می‌گیرد و حکاکی، برآمدگی جسم را در زیر شنل نامرئی می‌کند و به‌نظر می‌رسد که هنوز یک سطح صاف است.

برخی از کاربردی‌ترین فناوری‌های نامرئی از ذهن شرکت مهندسی بیوتکنولوژی HyperStealth بیرون آمده است. شرکت کانادایی استتار (نامرئی) پس از رونمایی از فناوری نامرئی خود، خبرساز شد. این مادهٔ اولیهٔ اختراع‌شده که Quantum Stealth نام دارد، عمدتاً برای ارتش ساخته شده است. کوانتوم استیلث می‌تواند برای نامرئی‌کردن پرسنل نظامی و تجهیزات نظامی مانند تانک‌ها و جت‌ها در نبرد مورد استفاده قرار گیرد. با این‌حال، این تازه شروع است. شنل نامرئی فقط نمی‌تواند اشیاء را از دید تماشاگران مخفی یا مخدوش کند، بلکه می‌تواند این اشیاء را از تصویرگرهای مادون‌قرمز و فرابنفش پنهان کند.

بزرگ‌ترین چالش پیش‌روی توسعهٔ یک دستگاه پوشش عملی، توانایی پوشاندن طیف گسترده‌ای از طول‌موج‌ها است. اما اگر بتوان بر این مسئله غلبه کرد، یک دستگاه پنهان‌سازی نه‌تنها کاربرد نظامی خواهد داشت، بلکه تحقیق در مورد فناوری پنهان‌سازی می‌تواند به ما در توسعهٔ فناوری‌های LiDar و حتی پنل‌های خورشیدی بهتر کمک کند. به‌گفتهٔ گای کرامر، مدیرعامل HyperStealth، مواد مورد استفاده برای ایجاد فناوری نامرئی می‌توانند انرژی خروجی پنل‌های خورشیدی را به‌دلیل سطح بازتابی بزرگ آن سه‌برابر کنند. دیگر چالش‌های موجود در فناوری‌های پنهان‌سازی عبارتند از:

• چالش در مقیاس‌پذیری تولید
• تلفات انرژی بالا
• یکپارچه‌سازی با سایر سیستم‌ها
• ملاحظات زیست‌محیطی

فرامواد: امید آینده برای شنل‌های نامرئی

این‌همه به لطف چیزی که عدسی عدسی نامیده می‌شود امکان‌پذیر است. عدسی ورقه‌ای موج‌دار است که در آن هر برآمدگی از یک عدسی منحنی به بیرون تشکیل شده است. ممکن است روی برخی از کارت‌های پوکمون و بیسبال هولوگرافیک قدیمی با لنزهای عدسی‌شکل مواجه شده باشید. در یک عدسی عدسی، ردیف‌هایی از عدسی‌های استوانه‌ای، نور را با توجه به زاویهٔ دید منکسر می‌کنند.

کوانتوم استیلت راهی برای چیدمان لایه‌های عدسی عدسی پیدا کرد تا در فواصل معینی در پشت مواد نقاط مرده ایجاد کند. وقتی از جلو به آن نگاه کنید، جسمِ پشتِ ماده قابل‌مشاهده نیست، اما پس‌زمینه قابل‌مشاهده است. این باعث ایجاد توهم نامرئی می‌شود. نمونه‌ٔ اولیهٔ مواد این شرکت به نازکی کاغذ است، تولید آن ارزان است و به هیچ منبع انرژی نیاز ندارد. شنل ممکن است نامرئیِ کامل را ارائه نکند. با این‌حال، هنوز هم اشیاء را به‌خوبی مخفی می‌کند و آن‌قدر پنهان می‌کند که تشخیص جزئیات آن بسیار دشوار است. اگر دانشجو یا فارغ‌التحصیل رشته مهندسی مواد هستید یا به این حوزه علاقه دارید، پیشنهاد می‌کنیم دوره آموزش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی و دوره آموزش تئوری و عملی ساخت کامپوزیت را از دست ندهید.

نمونه‌های واقعی از دستگاه‌های پنهان‌ساز

پیشرفت‌های مداوم در مهندسی مواد و دستگاه‌های نرم به توسعهٔ نمونه‌های اولیهٔ تحقیقاتی کمک کرده است که به پوشندگان این امکان را می‌دهد تا از آفتاب‌پرست‌ها سرنخ بگیرند و با محیط اطراف خود ترکیب شوند، حداقل زمانی‌که نوبت به طیف نور مرئی می‌رسد. مقاله‌ای از کرهٔ جنوبی به آینده‌ای اشاره می‌کند که در آن نیروها به‌صورت نامرئی حرکت می‌کنند، حتی نشانه‌های حرارتی آن‌ها فراتر از ابزارهای مرسوم برای ردیابی است. تکه‌های پوست مصنوعی از پیکسل‌ها ساخته شده‌اند که حاوی کریستال‌های مایع ترموکرومیک هستند که قادر به تغییر رنگ می‌باشند، بسته به دمای اطراف، بنابراین امکان تولید رنگ‌های متنوع با کنترل دما را فراهم می‌کنند و محدوده به‌طور جداگانه با تطبیق رنگ محیط به‌دست می‌آید.

ما در آستانهٔ یک انقلاب در چندین زمینهٔ مهندسی فناوری بیونیک هستیم. برخی از نمونه‌های اخیر عبارت‌اند از H.U.L.C. اسکلت بیرونی – یک بدنهٔ تیتانیومی از Berkeley Bionics و Lockheed Martin که به سربازان اسکلت خارجی نسل سومی می‌دهد که قادر به بلند کردن ۲۰۰ پوند (۹۰.۷ کیلوگرم) هستند. به‌علاوه، لنزهای بیونیک می‌توانند بینایی فوق‌العاده‌ای را در اختیار کاربران قرار دهند و حتی از اشک به‌عنوان نشانگر زیستی استفاده کنند. صنعت دفاعی همچنین در حال کار بر روی Quantum Stealth است – دستگاهی با لبه‌ای نازک که می‌تواند نور را به اطراف خم کند و تصویر مرئی کاربر را با نور محیط اطراف جایگزین کند تا به اثری مشابه با دستگاه اخیر دست یابد.

پوست مصنوعی و پنهان‌سازی گرمایی

پوست مصنوعی می‌تواند سربازان را حتی برای حسگرهای گرما در شب نامرئی کند. بر اساس مطالعه‌ای که اخیراً در مجلهٔ Advanced Functional Materials منتشر شده است، محققان نوع جدیدی از «پوست» پوششی ساخته‌شده از قطعات قابل‌خم‌شدن – با استفاده از سرمایش و گرمایش فعال برای تقلید رنگ‌های مرئی یا پروفایل‌های حرارتی محیط اطراف – ساخته‌اند که قابلیت نامرئی‌شدن دارند. پوستهٔ پوشاننده حتی می‌تواند در مدت تقریباً پنج ثانیه از حالتی به حالت دیگر تغییر کند و به پوشندگان این امکان را می‌دهد تا در طول روز خود را استتار کنند، در حالی‌که به‌سختی دوربین‌های حرارتی آن‌ها را رؤیت می‌کنند.

کاربردها و آینده فناوری پنهان‌سازی

یک تیم تحقیقاتی از کرهٔ جنوبی فناوری جدید را با وصله‌ای که روی دست انسان قرار داده شده بود نشان داد؛ آن‌ها آن را روی پس‌زمینه‌ای با رنگ‌ها و دماهای مختلف حرکت دادند. سئونگ در این مطالعه نوشت: «همان‌طور که عقربه در پس‌زمینه‌های مختلف حرکت می‌کند، هر پیکسل به‌طور متوالی رنگ یا دمای خود را بر اساس موقعیت‌های نسبی خود تغییر می‌دهد.» تیم تحقیقاتی هنوز باید قبل از این‌که کت‌ و شلوار بتواند تمام رنگ‌های اطراف خود را ببیند، کارهایی انجام دهد. در این مقاله، تیم خودْ رنگ را برای آزمایش دستگاه وارد می‌کند. سئونگ در ایمیلی به Defence One گفت: «با این‌حال، ما اخیراً روشی را برای شناسایی و تقلید از محیط با ادغام یک دوربین میکرو با دستگاه‌هایمان برای ساختن یک دستگاهِ کارِ مستقل ایجاد کرده‌ایم.»

برای نشان‌دادن تطبیق‌پذیری وصله‌ها در نبرد، سئونگ اضافه کرد که او و تیمش، علاوه‌بر استفاده از منبع انرژی کارآمدتر، باید دستگاه را افزایش دهند. در قطب شمال یا صحرا – جایی‌که استفاده‌کنندگان با دمای شدید مواجه می‌شوند – شرایط محیطی می‌تواند بر توانایی پوشاندن دستگاه تأثیر بگذارد. سئونگ گفت: «این مشکل ممکن است با افزودن یک عایق حرارتی مناسب حل شود.» اما این ممکن است باعث تغییر عملکرد نیز شود، به این معنی که پیش از آماده‌شدن کامل دستگاه برای مبارزهٔ زنده، آزمایش بیشتری لازم است.

سئونگ همچنین خاطرنشان کرد که چگونه کار روی این دستگاه از «خواص جالب آبزیان» مانند اختاپوس، ماهی مرکب و ده‌ماهی الهام گرفته و مهندسی شده است. در حالی‌که ما با سربازان نامرئی مجموعه‌های علمی‌تخیلی مانند Star Trek: Deep Space Nine فاصلهٔ زیادی داریم، بدون شک در حاشیهٔ یک جهش بزرگ در استتار سرباز هستیم – جهشی که ممکن است به‌زودی شاهد ترک آن باشیم. اگر مشتاق به مطالعه تحقیقات بیشتری در این زمینه هستید، می‌توانید به سایت FindLight.net مراجعه نمایید. در جدول زیر نیز می‌توانید کاربردهای عمده این فناوری را ملاحظه کنید:

جمع‌بندی

در این مقاله به معرفی، خصوصیات و آینده مواد نامرئی پرداختیم و دانستیم که این موضوع می‌تواند در آینده زمینه تحقیقات زیادی باشد. با اینکه مواد نامرئی حوزه تحقیقاتی نسبتا جدیدی است و جای پیشرفت بسیار زیادی برای آن وجود دارد، امروزه بسیاری از تیم‌ها از مراکز پژوهشی سراسر دنیا مشغول کار بر روی آن هستند. شناخت و توسعه مواد نامرئی نیازمند تسلط بر فیزیک نانو، الکترومغناطیس، ویژگی‌های نوری مواد، حرارت و موضوعات زیاد دیگری از رشته مهندسی مواد و دیگر رشته‌های فنی مهندسی است. است. به دانش پژوهانی که مشتاق یادگیری علوم و فنون کاربردی در رشته‌های مختلف فنی مهندسی هستند، پیشنهاد می‌کنیم از دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان غافل نشوند.

نویسندگان: مصطفی عینعلی، کارشناس مهندسی مواد و متالوژی – رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی