لنزهای تماسی نانومواد، قابلیت دیدن نور فروسرخ را به چشمان انسان می‌دهند

بیش از نیمی از نور خورشیدی که به زمین می‌رسد، از تابش فروسرخ تشکیل شده است، با این حال چشم انسان کاملاً نسبت به این حجم عظیم از اطلاعات نوری کور است. گیرنده‌های نوری انسان از نظر بیولوژیکی محدود شده‌اند که تنها باند باریک طیف الکترومغناطیسی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر را پردازش کنند، که همان باریکه تابشی است که ما آن را نور مرئی می‌نامیم. از آنجایی که پروتئین‌های اپسین ما فاقد خواص ترمودینامیکی لازم برای تشخیص طول موج‌های بلندتر هستند، ما در دنیایی حرکت می‌کنیم که از امضاهای حرارتی و نور فروسرخی که هر ثانیه از روز از محیط اطراف ما بازتاب می‌شود، بی‌خبریم.[3]

برای دهه‌ها، غلبه بر این محدودیت بیولوژیکی سخت‌گیرانه، نیازمند استفاده از عینک‌های دید در شب حجیم و باتری‌دار بود. این دستگاه‌های سنتی از طریق یک فرآیند الکترونیکی فعال کار می‌کنند: فوتون‌های نامرئی را جذب کرده، آن‌ها را از طریق یک لوله تقویت‌کننده تصویر به آبشاری از الکترون‌ها تبدیل می‌کنند و سپس بر روی یک صفحه درخشان که به رنگ سبز تک‌رنگ می‌تابد، نمایش می‌دهند. اکنون، یک تیم بین‌المللی از متخصصان علوم اعصاب و مواد، جایگزینی کاملاً متفاوت و بدون نیاز به برق را مهندسی کرده‌اند: یک لنز تماسی نرم که حاوی نانومواد تخصصی است و نور فروسرخ نزدیک را مستقیماً به طیف مرئی تبدیل می‌کند و به طور نامرئی روی سطح چشم قرار می‌گیرد.[1][4]

این تحقیق پیشگامانه که اخیراً در مجله «سل» (Cell) منتشر شده است، جزئیات ساخت آنچه تیم آن را «لنزهای تماسی تبدیل‌کننده بالارونده» (UCLs) می‌نامد، شرح می‌دهد. این دستگاه‌ها که با همکاری دانشمندان دانشگاه علم و فناوری چین (USTC)، دانشگاه فودان و دانشکده پزشکی دانشگاه ماساچوست توسعه یافته‌اند، قابلیت بی‌سابقه‌ای را به استفاده‌کنندگان می‌دهند تا طول موج‌های فروسرخ را همزمان با دید عادی خود درک کنند. از آنجایی که این لنزها به هیچ سخت‌افزار یا منبع تغذیه خارجی نیاز ندارند، یک واقعیت افزوده یکپارچه و غیرتهاجمی ایجاد می‌کنند که طیف نامرئی را مستقیماً بر روی میدان دید طبیعی فرد استفاده‌کننده قرار می‌دهد.[2][5]

مکانیسم اصلی این جهش نوری بر نانوذرات تبدیل‌کننده بالارونده مبتنی بر طلا متکی است، به ویژه ترکیبی از سدیم گادولینیوم فلوراید غنی شده با عناصر خاکی کمیاب ایتربیوم و اربیوم (Au/NaGdF4: Yb3+, Er3+). قطر این ذرات بسیار مهندسی‌شده تقریباً ۴۵ نانومتر است—هزاران برابر کوچک‌تر از یک دانه شن. برای اینکه این فناوری قابل استفاده باشد، تیم تحقیقاتی با موفقیت این نانوذرات را در مواد پلیمری انعطاف‌پذیر و زیست‌سازگار ادغام کردند که عملاً مشابه هیدروژل‌های مورد استفاده در لنزهای تماسی نرم استاندارد و موجود در بازار هستند.[5][6]

فیزیک بنیادی که در این لنزها نقش دارد، یک فرآیند کوانتومی است که به عنوان «جابجایی ضد استوکس» (anti-Stokes shifting) شناخته می‌شود. نانوذرات تعبیه‌شده به عنوان مبدل‌های نوری میکروسکوپی عمل می‌کنند. هنگامی که نور فروسرخ نزدیک به آن‌ها برخورد می‌کند—که انرژی کمتر و طول موج‌های بلندتری دارد، معمولاً بین ۸۰۰ تا ۱۶۰۰ نانومتر—این ذرات دو یا چند فوتون کم‌انرژی را جذب می‌کنند. سپس انرژی آن فوتون‌های جذب‌شده را ترکیب می‌کنند تا یک فوتون واحد و پرانرژی‌تر را در طیف مرئی منتشر کنند. این فرآیند تبدیل بالارونده به طور مؤثری نور نامرئی را به فرکانسی ترجمه می‌کند که گیرنده‌های نوری انسان می‌توانند به طور طبیعی آن را پردازش کنند.[2]

نکته حیاتی این است که ادغام این نانوذرات مانع دید عادی فرد استفاده‌کننده نمی‌شود. مواد پلیمری و خود نانوذرات نسبت به طول موج‌های نوری استاندارد بسیار شفاف هستند. در نتیجه، استفاده‌کنندگان مجبور نیستند بین دیدن در فروسرخ و دیدن عادی یکی را انتخاب کنند؛ آن‌ها می‌توانند دنیای طبیعی را دقیقاً همان‌طور که همیشه دیده‌اند، مشاهده کنند، در حالی که منابع فروسرخ به صورت پوشش‌های درخشان و مرئی در همان میدان دید ظاهر می‌شوند. این درک همزمان دو طیفی، یک مزیت عمده نسبت به عینک‌های سنتی است که دید طبیعی را به طور کامل مسدود می‌کنند.[2]

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، افراد انسانی که لنزهای تبدیل بالارونده را استفاده کرده بودند، در اتاق‌های کاملاً تاریک قرار گرفتند و در معرض سیگنال‌های فروسرخ چشمک‌زنی قرار گرفتند که شبیه کد مورس بودند. افراد توانستند با موفقیت الگوهای نور نامرئی را تشخیص دهند و جهت ارسال سیگنال‌ها را به دقت شناسایی کنند. به طور شگفت‌انگیزی، محققان در طول این آزمایش‌ها کشف کردند که درک فروسرخ افراد هنگامی که چشمان خود را می‌بستند، در واقع تقویت می‌شد؛ یافته‌ای غیرمنتظره که خواص منحصر به فرد تابش فروسرخ نزدیک را برجسته می‌کند.[4][6]

این پدیده دید با چشم بسته به این دلیل رخ می‌دهد که نور فروسرخ نزدیک توانایی قابل توجهی در نفوذ به بافت بیولوژیکی انسان، از جمله پوست و ماهیچه پلک، بسیار مؤثرتر از نور مرئی دارد. هنگامی که فرد استفاده‌کننده چشمان خود را می‌بندد، پلک به عنوان یک فیلتر طبیعی عمل می‌کند و تمام تداخل نور مرئی محیطی را مسدود می‌کند، در حالی که به سیگنال‌های فروسرخ اجازه می‌دهد تا به لنز تماسی برسند. سپس نانوذرات نور فروسرخ را مستقیماً در برابر پلک بسته به فلاش‌های مرئی تبدیل می‌کنند و در نتیجه یک سیگنال واضح‌تر و با کنتراست بالا ایجاد می‌شود.[1][6]

تیم تحقیقاتی با فراتر رفتن از تصاویر سبز تک‌رنگ مرتبط با دید در شب سنتی، نانوذرات تخصصی کدگذاری رنگی را مهندسی کردند تا نسخه‌های سه‌رنگ (ترای‌کروماتیک) از این لنزها را بسازند. با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی و عناصر خاکی کمیاب خاص مورد استفاده در نانوذرات، دانشمندان با موفقیت طول موج‌های نامرئی مختلف را به رنگ‌های مرئی متمایز و قابل تشخیص نگاشت کردند. این پیشرفت به لنزها اجازه می‌دهد تا اطلاعات طیفی پیچیده را منتقل کنند، نه فقط یک لایه نورپردازی واحد و تخت.[1][6]

در این سیستم سه‌رنگ، نانوذرات به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که نور فروسرخ با طول موج ۹۸۰ نانومتر به نور آبی، ۸۰۸ نانومتر به نور سبز و ۱۵۳۲ نانومتر به نور قرمز تبدیل شود. این امر به فرد استفاده‌کننده اجازه می‌دهد تا فوراً انواع مختلف منابع فروسرخ را بر اساس رنگی که درک می‌کند، تشخیص دهد. چنین آگاهی فضایی و طیفی غنی، یک مزیت تاکتیکی و تحلیلی بزرگی نسبت به سیستم‌های دید در شب سنتی فراهم می‌کند که تمام داده‌های فروسرخ را به یک سایه واحد تبدیل می‌کنند.[3][6]

فراتر از کاربردهای تاکتیکی و نظامی، محققان پیشنهاد می‌کنند که این فناوری تغییر طول موج می‌تواند برای پیشگامی در درمان‌های کاملاً جدید برای کوررنگی سازگار شود. با اصلاح نانوذرات برای جذب یک طول موج مرئی خاص و انتشار آن به صورت طول موجی دیگر، این لنزها می‌توانند از لحاظ نظری رنگ‌هایی را که فرد کوررنگ به طور طبیعی نمی‌تواند درک کند، به طیفی منتقل کنند که به راحتی قابل تشخیص باشد. این امر یک پروتز بینایی بسیار شخصی‌سازی شده، غیرفعال و غیرتهاجمی را برای میلیون‌ها نفر با نقص‌های ژنتیکی دید رنگی ارائه می‌دهد.[2][5]

این فناوری همچنین نویدبخش کاربردهای فوری برای عملیات‌های امنیتی، جستجو و نجات، و مبارزه با جعل است. امدادگران مجهز به این لنزها می‌توانند با دنبال کردن چراغ‌های فروسرخ مخفی، از میان دود یا مه غلیظ—که نور فروسرخ راحت‌تر از نور مرئی به آن نفوذ می‌کند—عبور کنند. به طور مشابه، پرسنل امنیتی می‌توانند علائم نامرئی ضد جعل را روی اسناد بخوانند یا از طریق لیزرهای فروسرخ مخفی ارتباط برقرار کنند که برای هر کسی که لنزهای تبدیل بالارونده تخصصی را استفاده نکرده باشد، کاملاً غیرقابل تشخیص باقی می‌مانند.[1][6]

در حالی که نتایج آزمایشگاهی قطعی و پیشگامانه هستند، تکرار فعلی این فناوری با محدودیت‌های قابل توجهی در دنیای واقعی مواجه است که باید قبل از استقرار گسترده برطرف شوند. نانوذرات خاکی کمیاب موجود نیازمند منابع فروسرخ نسبتاً شدید، مانند ساطع‌کننده‌های LED هدفمند یا لیزرهای فروسرخ اختصاصی هستند تا فوتون‌های کافی برای فعال کردن فرآیند تبدیل بالارونده را جذب کنند. آن‌ها هنوز قادر به عملکرد در محیط‌های کاملاً غیرفعال و کم‌نور بدون منبع روشنایی فعال نیستند.[5]

به دلیل این آستانه حساسیت، لنزها در حال حاضر نمی‌توانند تابش حرارتی ضعیف و محیطی ساطع شده از بدن موجودات زنده یا موتورهای خنک‌شونده وسایل نقلیه را جذب کنند—که اهداف اصلی عملیات‌های دید در شب نظامی و جستجو و نجات هستند. تیم تحقیقاتی فعالانه در حال کار بر روی فرمولاسیون‌های نسل بعدی است تا حساسیت نوری ذرات ایتربیوم و اربیوم را به شدت افزایش دهد، به این امید که در نهایت به لنزها اجازه دهد تنها با استفاده از نور فروسرخ محیطی که به طور طبیعی در آسمان شب وجود دارد، کار کنند.[5][6]

دومین مانع بزرگ مهندسی مربوط به وضوح بصری و تفکیک‌پذیری فضایی است. از آنجایی که نور فروسرخ مستقیماً در سطح لنز تماسی به نور مرئی تبدیل می‌شود، فوتون‌های مرئی تازه تولید شده هنگام عبور از زلالیه و عدسی چشم، قبل از برخورد نهایی به شبکیه، کمی پراکنده می‌شوند. این اثر پراکندگی یک تصویر تا حدودی تار ایجاد می‌کند و مانع از درک جزئیات دقیق و واضح مورد نیاز برای انجام کارهای پیچیده توسط فرد استفاده‌کننده می‌شود.[1]

برای رسیدگی به این مشکل تفکیک‌پذیری، در حالی که فرمولاسیون لنز تماسی در حال اصلاح است، محققان به طور همزمان در حال توسعه یک سیستم مبتنی بر عینک قابل پوشیدن هستند که از همان نانومواد تبدیل بالارونده استفاده می‌کند. با دور کردن فرآیند تبدیل کمی بیشتر از قرنیه، عینک‌ها قصد دارند به تفکیک‌پذیری فضایی بالاتر و تصاویر واضح‌تر دست یابند و به عنوان یک گام میانی به سمت هدف نهایی یعنی یک لنز تماسی کامل و با کیفیت بالا عمل کنند.[1]

با وجود این موانع فعلی، نمایش موفقیت‌آمیز تبدیل بالارونده قابل پوشیدن و بدون نیاز به برق، یک تغییر پارادایم عمیق در مهندسی نوری و تقویت انسانی را نشان می‌دهد. با انتقال فرآیند پیچیده تبدیل طول موج از قطعات الکترونیکی حجیم و شکننده به نانومواد غیرفعال که مستقیماً روی چشم قرار می‌گیرند، علم گامی قطعی و ملموس به سوی گسترش یکپارچه تجربه حسی انسان فراتر از محدودیت‌های تکاملی آن برداشته و مرز جدیدی در فناوری‌های زیست‌تلفیقی گشوده است.[4]