کار برد صنعتی فیزیک

فیزیک در صنعت بسیاری از شاخه‌های تخصصی فیزیک، نظیر فیزیک شیمی، فیزیک ماده‌ی چگال، نورشناخت، فیزیک بسپار (پلیمر)ها، و فیزیک خلأ را در بر می‌گیرد. بسیاری از فصل‌های مربوط به این موضوع‌ها در اخبار فیزیک امسال دارای اهمیت صنعتی هستند. لیکن، این فصل را برگزیده‌ایم تا بر آن دسته از پیشرفت‌های پژوهشی که به طور ویژه جنبه‌ی صنعتی دارند تأکید کنیم. در این موارد، انگیزه‌ی پژوهش فیزیکی، علاوه بر حصول درک عمیق پدیده‌های فیزیکی، کاربرد آن‌ها نیز هست. از تحلیل واکنش هسته‌ای در ترکیبات گرافیت – اپوکسی گرفته تا بازآوایی ساختاری اپتیکی در هواویزها، و از چند برآرستی روی برگه‌های سیلسیوم گرفته تا بازآوایی مغناطیسی هسته‌ای در درون بافت‌های انسان، همگی در گستره‌ی فیزیک نشأت یافته از اهداف صنعتی قرار دارند. شاید، هرگز صنایع فیزیکی مشابه با صنایع شیمیایی به وجود نیاید، اما فیزیک در صنعت شکوفا شده و اهمیت درک فیزیکی برای تکنولوژی هرگز تا این اندازه نبوده است.
تحقیقات تولید آلیاژ با استفاده از تحلیل واکنش هسته‌ای
تولید آلیازهای تجارتی برای کاربردهای صنعتی متعدد، به سبب استفاده از تحلیل واکنش هسته‌ای در روش‌های آشکارسازی عنصر ردی، جهش تازه‌ای یافته است. در برخی از انواع آلیاژ‌ها و مواد ترکیبی حضور عنصر ردی میانین یا مقدار یکی از اجزای استخلافی آلیاژ می‌تواند به طور مؤثری خواص مکانیکی ماده را تغییر دهد. هیدروژن در آلیاژهای تیتانیوم نمونه‌ای کلاسیک از اثر زیانبخش عنصر ردی است که می‌تواند از طریق وادوسش و ایجاد ترک مقاومت کششی ماده را کاهش دهد. همین‌طور، جذب رطوبت و پخش، در ترکیبات گرافیت – اپوکسی باعث پایین آمدن دمای گذار به شیشه‌ی مواد می‌شود، که نتیجه‌ی آن افت مقاومت کششی در دماهای بالاست. در آلیاژ آلومینیوم – لیتیوم، وقتی به سبب عملیات حرارتی متعارف، لیتیوم در سطح ماده کاهش می‌یابد سختی آلیاژ کم می‌شود. این فقط چند نمونه از مسائلی است که در حال حاضر تحت بررسی مواد شناسان است. اتکای بسیاری از مطالعات به روش‌های آشکار سازیی بوده است که در آن با اندازه‌گیری یکی از خواص فیزیکی مربوط، غلظت یکی از اجزا را معلوم می کردند. ولی اخیراض با اعمال روش‌های تحلیل واکنش هسته‌ای به اندازه گیری تراکم‌های موضعی عناصر در آلیاژ‌ها و ترکیب‌ها، شناخت عمیقتر مکانیسم‌های شروع ترک و همچنین مکانیسم‌های پیوند آلیاژهای غیر مشابه فراهم شده است. یک شتاب‌دهنده‌ی انرژی پایین کوچک که بتواند باریکه‌ای از ذرات چند بار یونیده فراهم کند قادر است انواع واکنش‌های هسته ای برانگیزاند که در آن‌ها آهنگ گسیل پرتو گاما یا ذرات، با غلظت عنصر ردی موجود در حجمی که واکنش صورت می‌گیرد متناسب باشد. تکنیک‌های تحلیل واکنش هسته‌ای (NRA) به خصوص برای مطالعه‌ی آلیاژهای تجارتی مناسب اند، زیرا یک واکنش هسته‌ای خاص می‌تواند در اندازه‌گیری عنصر ردی معینی؛ نظیر هیدروژن یا لیتیوم (به غیر از عناصر عمده‌ی تشکیل دهنده‌ی آلیاژ) خیلی حساس باشد. برای مطالعه‌ی مهاجرت هیدروژن در برخی آلیاژهای تیتانیوم، در اثر اعمال یک شیب تنش، حضور ده‌ها PPm (وزنی) هیدروژن در تیتانیوم حساسیت لازم را ایجاد می‌کند. اندازه‌گیری درجه‌بندی شده‌ی میزان غلظت هیدروژن امکان مقایسه ی حدود تغییر هیدروزن در شیب تنش را با پیشگویی‌های مدل‌های ترمودینامیکی به وجود آورده است. امکان اندازه‌گیری دینامیک مهاجرت‌های هیدروژن در شیب تنش به طور درجا به تعیین پخشیدگی هیدروژن در آلیاژهای تیتانیوم، در دماهای نزدیک به دمای اتاق، منجر شده است. هر یک از این مطالعات قدمی است مهم در ارزیابی نقش هیدروژن در مکانیسم آغازش انتشار ترک. علایق اخیر به تولید آلیاژهای Al-Li آغازگر بررسی هایی در زمینه‌ی اتلاف لیتیوم، در اثر فرایندهای عملیات حرارتی، در سطح این آلیاژها شده است. باریکه‌ای از یون He که به خوبی همخط شده باشد پروتون‌های پرانرژی شاخصی ایجاد می‌کند که آهنگ گسیل آن‌ها با غلظت لیتیوم متناسب است. با روش سطح نمونه‌ی آلیاژ Al-Li که عملیات حرارتی دیده باشد، توسط باریکه‌ی یونی، نموداری از غلظت لیتیوم برای مقایسه با محاسبات اتلاف لیتیوم، مبتنی بر برخی مدل‌های تهی سازی فراهم می‌شود. ارزیابی پارامتری نمودار غلظت لیتیوم تحت شرایط مختلف عملیات حرارتی وسیله‌ای است برای تعیین نوع محیط عملیات حرارتی که بتواند، ضمن حداقل کردن اتلاف لیتیوم، که سبب کاهش سختی در نواحی نزدیک به سطح در مقیاس میکروسکوپیک می‌شود، سختی مورد نظر را در الیاژ تولید مند. معلوم شده است که آهنگ اتلاف لیتیوم در آلیاژ Al-Li پس از عملیات گرمایی در محیط هوای خشک با فرایند پخش محدود می‌شود، لیکن وقتی در معرض آرگون قرار می‌گیرد آهنگ اتلاف به طور چشمگیر کند می شود. تکنیک‌های تحلیل واکنش‌ هسته‌ای از جهت ارزیابی اثرات عناصر ردی در خواص مکانیکی و فیزیکی احتمالاً در برنامه‌های تولید آلیاژهای تجارتی نقش فزاینده‌ای خواهد داشت. حساسیت و گزینایی این روش‌ها برای برخی عناصر سبک، اغلب به روش‌های متداول تهیه‌ی نمودار غلظت برتری دارد.
یاز آوایی‌های ساختاری و طیف نمایی تحریری هواویز‌ها
رشد، واپاشی، و تحول شیمیایی هواویزها اهمیت زیادی در رؤیت جوی، شیمی‌جو، رسوب بخار شیمیایی، و احتراق دارد. تا این اواخر این دینامیک‌ها تنها در هنگردهای نسبتاً بزرگ و بس‌پاش و در دوره‌های زمانی طولانی مطالعه می‌شد. اکنون، به کمک مجموعه‌ای شامل لیزرهای تپی تحریری، لیزرهای کاوه، و برآویزی ذره، اندازه‌گیری رشد و واپاشی تک ذره‌های هواویز در مقیاس زمانی نانو ثانیه (?10?^(-9) ثانیه) ممکن شده است. چندین گروه از بازآوایی‌های ساختاری اپتیکی برای مطالعه‌ی تک قطره‌ها و ذرات کروی استفاده کرده‌اند. این بازآوایی‌ها وقتی رخ می‌دهند که امواج نوری انتشار یابنده ذر اطراف ذره‌ی هواویز یکنواخت بتوانند به طور سازنده تداخل کنند تا میدان الکتریکی پر شدتی در داخل ذره به وجود آید. شرایط بازآوایی تنها برای تحریک نور خارجی وجود ندارد، بلکه برای نور ایجاد شده در داخل ذره که از آن خارج می‌شود نیز وجود دارد. این بازآوایی‌ها ساختاری امکان داده است که تغییرات نسبی اندازه‌ی ذره‌ی هواویز در حد ppm10 از طریق پراکندگی کشسان نور، فلورسانسف پراکندگی رامان و یا طیف‌نمایی رامان القایی مشاهده شود. چنگ و همکارانش این اثرها را در فرود قطرات تک پاش مشاهده کرده‌اند، در حالی که دیگران از تک ذره‌های هواویز برآویخته به طریق الکتریکی و اپتیکی استفاده کرده‌اند. در پیشرفت‌های بعدی، با اندازه‌گیری تبخیر القا شده در ذره توسط فو تون‌های حرارتی، طیف جذبی یک تک قطره‌ی برآویخته به دست آمده است. این نوع روش‌های تحریر اندازه‌ی به نواحی کوچکی از نمونه‌های بس‌پاش ذرات جامد نیز اعمال شده است. با استفاده از لیزرهای تپی با انرزی نه‌چندان زیاد، حتی ذرات کربن جامد را نیز می‌توان تبخیر کرد. جذب تحریر شده وقتی با باریکه‌ها یا برگه‌های نور کاوه ترکیب شوند امکان می‌دهند اندازه‌گیری‌های غلظت که از لحاظ فضایی تفکیک شده باشد با حساسیت زیاد انجام پذیرد، در حالی که پراکندگی نور تحریر شده امکان مشاهده‌ی نقش‌های جریان و آهنگ‌های نسبی هسته‌بندی را فراهم می‌کند.
مهندسی گاف نوار و چند برآرستی روی سیلیسیوم
علی‌رغم موضع مسلط سیلیسوم در الکترونیک نیمرسانا، کاربرد آن نهایتاً به واسطه‌ی ناسازگاری با مواد نیمرسانای دیگر محدود می‌شود. سال‌ها دانشمندان کوشش کرده‌اند که سیلیسیوم را با مواد نیمرسانای دیگر ترکیب کنند و ساختارهای بهتری روی سیلیسیوم به وجود آورند. یکی از روش‌هه روش برآرستی است – یعنی رشد لایه‌های تک بلوری روی زیر نهشته‌های تک‌بلوری. روی زیر نهشته‌های تک‌بلوری. برآرستی باریکه‌ی مولکولی (MBE) عبارت است از تبخیر به دقت کنترل شده‌ی مواد روی زیر نهشته در خلأ فرابالا. این روش برای رشد برآرستی نسبت به روش‌های مرسوم به دمای کمتری (800-400 برای siMBE) نیاز دارد، به علاوه امکان می‌دهد که نمایه‌های آلایش و فصل مشترک لایه‌ها تا مقیاس اتمی کنترل شود. در چندبرآرستی، از رشد لایه‌های تک بلوری از مواد متفاوت، یک تک‌بلور به دست می‌آید. می‌توان امیدوار بود که با این روش بلورهایی با خواص انحصاری، که به طور طبیعی وجود ندارند، حاصل شوند. در دو سال اخیر، پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در حل این مسئله‌ی مهم تکنیکی توسط بین و همکارانش در آزمایشگاه‌های بل صورت گرفته است. آن‌ها از این واقعیت که لایه‌ی چندبرآرستی تحت کرنش است استفاده کرده‌اند. شبکه‌های اجزای تشکیل دهنده با هم تطبیق نمی‌کنند، لیکن ضخامت لایه‌ها آنقدر کم هست که کرنش بتواند پذیرای عدم انطباق باشد، بدون آنکه در رفتگی‌های عدم جفت‌شدگی در فصل مشترک به وجود آید. بین، به خصوص، با استفاده از برآرستی باریکه‌ی مولکولی، سیلیسیوم چند ساختاره و ابر شبکه‌های Si/SiGe رشد داده است. با اینکه ثابت شبکه‌ای Ge حدود 2/4% از ثابت شبکه‌ای si بیشتر است، بین و همکارانش دریافتند که بسته به ترکیب آلیاژ GeSi، لایه‌هایی تا ضخامت 13 متر را می‌توان، ایجاد در رفتگی رشد داد. شبکه‌ی درشت‌تر GeSi در صفحه‌ی رشد چنان فشرده می‌شود که با فاصله‌ی شبکه‌ای سیلیسیوم تطبیق کند. نکته‌ی مهم، مشاهده‌ی رشد موادی است که با ضخامت‌های بیش از ده برابر ضخامت‌هایی که در نظریه‌های ترازمندی تشکیل در رفتگی پیشگویی شده است، عاری از در رفتگی‌اند. با رشد لایه‌ای از si روی لایه‌ی تحت کرنش، بین توانسته است ابر شبکه‌هایی روی سیستم Si/SiGe رشد دهد. به سبب کرنش ناشی از عدم تطابق شبکه‌ها، بوسه‌های نازک GeSi تنش فشاری قابل ملاحظه‌ای را متحمل می‌شوند. اخیراً با محاسبات نشان داده‌اند که این امر سبب می‌شود که گاف نوار (تفاوت میان انرژی الکترون‌های رسانش و ظرفیت) فیلم‌های GeSi متشکل از لایه‌های تحت کرنش از گاف نوار مربوط به آلیاژهای کپه‌ای GeSi به طور قابل ملاحظه‌ای کوچکتر باشد. بنابراین، رشد چند ساختاره‌های GeSi روی سیلیسیوم امکان می‌دهد که از تکنیک‌های مهندسی گاف‌نوار نظیر آلایش تحریری، ترانزیستورهای اثر میدان و آشکارسازهای نوری بدیع، در تکنولوژی مبتنی بر سیلیسیوم بهره گرفت. قبلاً، این نوع مهندسی گاف نوار چند ساختاره‌ای انحصاراً برای نیمرسانا‌های ترکیبی III-V امکان‌پذیر بود. برآرستی باریکه‌ی مولکولی، همچنین امکان می‌دهد که فلزات سازگاری، چون سیلیسیدها و عایق‌ها به صورت تک‌بلور روی سیلیسیوم رشد داده شوند. با استفاده از این امکان وسایلی با ساختارهای بدیع در شرف ظهور است. تانگ و همکارانش لایه‌های تک‌بلوری از فلزات سیلیسید با کیفیت خیلی خوب روی سیلیسیوم رشد داده‌اند. چند ساختاره‌ی پنهانی از Si/CoSi2/Si رشد داده شده است که کار ترانزیستوری را می‌کند که در آن لایه‌ی فلزی نقش پایه را دارد. گروه‌های دیگری در انستیتوی تکنولوژی توکیو و آزمایشگاه لینکلن MIT روی طرح های سرعت بالای بدیعی کار می‌کنند که از چند ساختاره‌های Si/ فلز/Si رشد داده شده به طریق برآرستی باریکه‌ی مولکولی ساخته می‌شود. عایق CaF2 با کیفیت بسیار خوب توسط گروه‌هایی در آزمایشگاه‌های بل، انستیتوی تکنولوژی توکیو، جنرال الکتریک و گروه‌های دیگر روی سیلیسیوم رشد داده شده است. از عایق‌های برآرستی می‌توان به عنوان عایق مطلوب دریچه در وسیله‌ای مشهور به میسفت که در گروه آزمایش‌گاه‌های بل ساخته شده است استفاده کرد. سایر کاربردهای فلوریدهای برآرستی مشتمل بر عایق‌بندی دی‌الکتریکی است. به سبب حفظ ساختار بلورین، سیلیسیوم برآرستی را می‌توان روی فیلم‌های برآرست رشد داد. این امر یکپارچه‌سازی سه‌بعدی را آسان می‌کند. امکاناتی که چند برآرستی ایجاد شده از طریق MBE فراهم می‌آورد بسیار است و بهره‌گیری از آن تازه شروع شده است. دمای رشد پایین و دقت کنترلی که توسط MBE فراهم می‌شود بی‌نظیر است و امکان توسعه‌ی بیشتر را در حوزه‌ی چند برآرستی فراهم خواهد کرد.
بازآوایی مغناطیسی در پزشکی
سه موضع عمده‌ی فیزیک قرن بیستم – یعنی بازآوایی مغناطیسی هسته‌ای، ابررسانندگی، و پردازش خیلی سریع داده‌های رقمی – در یک دستگاه پزشکی که، موارد استفاده‌ی بالینی آن سریعاً گسترش یافته است ترکیب شده‌اند. حدود 200 روبنده‌ی بازآوایی مغناطیسی – که در اکثر آن‌ها از آهنرباهای ابر رسانای تمام قد استفاده می‌شود – قرار است نصب شوند. صدها مقاله انتشار یافته و بیش از ده گردهمایی مهم برگزار شده است. در گردهمایی انجمن بازآوایی مغناطیسی در پزشکی در لندن از 1500 نفر شرکت کردند و 650 مقاله ارائه شد.
عمده‌ی پیشرفت‌های جدید در چهار زمینه متمرکز است
1. داده‌های مربوط به کارآیی بالینی روبنده‌های نسل اخیر
2. پیشرفت‌های تکنیکی (مثلا، پیچه‌های سطحی) برای بهبود حد تفکیک تصویر
3. ظرفیت سازی رشته تپ‌ها برای تحمیل داده‌هایی با جزئیات بیشتر (مثلا، برای تمایز میان سیگنال‌های بازآوایی پروتون مربوط به مولکول‌های چربی و آب) ؛
4. مطالعات پیشرفته‌ی مربوط به استفاده از طیف‌نمایی جابه‌جایی شیمیایی در زیست‌شناسی و پزشکی.
در اکثر آزمایش‌های جاری در بیمارستان‌هایی که از NMR استفاده می‌کنند، تصویر مقطعی از اندام داخلی بیمار تهیه می‌شود. بیمار داخل آهنربایی قرار داده می‌شود که دارای یک پیچه‌ی rf است که بر بسامد لارمور پروتون تنظیم شده و پیچه‌هایی با شیب میدان خیلی خطی دارد. پروتون‌ها در قشر نازکی (به ضخامت 3 تا 10 میلی متر) به طور انتخابی با استفاده از rf و یکی از پیچه‌های شیب به طور همزمان تحریک می‌شوند. در مدت فروکاهی آزاد القا، میدان‌های شیب اضافی برای کدبندی اطلاعات موضغع به کار می‌روند. یک آنتن پیچه‌ای سیگنال را می‌گیرد، و بعداً آن را به صورت یک رشته داده‌های سیگنال را می‌گیرد، و بعداً آن را به صورت یک رشته داده‌های منفصل درمی‌آورد. از تبدیل فوریه‌ی دو بعدی برای ایجاد تصویر استفاده می‌شود، که در نوع معمول آن 256*256 عدد لکه‌ی روشن وجود دارد.
تفکیک تصویرها در سطح قابل قبول دانه‌بندی نوعاً 1تا2 میلی‌متر است. در اغلب موارد، منشأ عمده‌ی نوفه، نوفه‌ی گرمایی حاصل از تابش جسم سیاه در داخل بدن بیمار است. وقتی لازم باشد که تنها تصویر ناحیه‌ی آناتومیکی محدودی تهیه شود، با استفاده از پیچه‌های سطحی که متناسب ناحیه‌ی آناتومیکی مورد نظر طرح شده‌اند، می‌توان به نسبت سیگنال به نوفه‌ی بهتر، و بنابراین، به تفکیک بهتری دست یافت. از پیچه‌هایی که به این منظور طرح شده‌اند برای رسیدن به تفکیک بیشتر (برای مثال 5/0 میلی متر) در اندام‌هایی نظیر چشم و ناحیه‌هایی مثل ستون فقرات استفاده شده است. از انواع گسترده‌ای از طرح‌های آنتن، که هر یک متناسب ناحیه‌ی آناتومیکی به خصوصی خواهد بود، در یکی دو سال آینده در بسیاری از بیمارستان‌ها استفاده خواهد شد. یکی از زمینه‌های فعالیت شدید تحقیقی استفاده از طیف‌نمایی جابه‌جایی شیمیایی در تعقیب فرایندهای زیست‌شیمی و متابولیکی است. قسمت عمده‌ی این کار حول مطالعه‌ی متابولیسم انرژی با استفاده از بازآوایی هسته‌های 31p متمرکز است. اخیراً ممکن شده است که از قلب انسان طیف فسفر تهیه کنند و، باز با استفاده از پیچه‌های شیب، موضع منشأ سیگنال را در عمق معینی از دیوار سینه معین کنند. این امر احتمال استفاده‌ی آتی از NMR را در مطالعه‌ی بیماری‌های قلبی به شدت زیاد کرده است. در طیف پروتون نیز اطلاعات زیست‌شیمیایی فراوان هست. استفاده از رشته تپ‌های انتخابی پیشرفته یا پدیده‌های چند کوانتومی امکان داده است که شدت سیگنال مربوط به پروتون‌های آب در بافت‌های زیستی را بتوان به اندازه‌ی کافی خفیف کرد تا بشود طیف منتسب به متابولیست‌های به خصوص را اندازه‌گیری کرد. می‌توان انتظار داشت که پیشرفت های آینده‌ی این تکنیک‌ها کاربرد بازآوایی مغناطیسی در پزشکی را از تشکیل تصاویر سیاه و سفید فراتر ببرد.