پژوهشگران با الهام از ساختار پرهای پنگوئن، پوششی نانویی ساختهاند که همزمان بخار آب را از سطح حسگرهای لیدار حذف و قطرات باران را دفع میکند. این پوشش بدون نیاز به برق، با نور خورشید گرم میشود و شفافیت بالایی برای عبور پرتوهای لیدار حفظ میکند. این فناوری میتواند دقت خودروهای خودران، رباتها و تجهیزات نوری را در شرایط نامساعد جوی بهطور چشمگیری افزایش دهد
پرهای پنگوئن الهامبخش نسل جدید نانوحسگرهای خودران شدند
پژوهشگران در تازهترین دستاورد خود موفق شدهاند پوششی نانویی و الهامگرفته از طبیعت توسعه دهند که میتواند یکی از مهمترین مشکلات سامانههای لیدار (LiDAR) را در شرایط نامساعد جوی برطرف کند. این فناوری با الگوبرداری از ساختار پرهای پنگوئنها طراحی شده و قادر است از تشکیل مه و چسبیدن قطرات باران روی سطح حسگر جلوگیری کند؛ موضوعی که میتواند دقت عملکرد خودروهای خودران، پهپادها، سامانههای رباتیک و تجهیزات تصویربرداری پیشرفته را بهطور قابل توجهی افزایش دهد.
نتایج این پژوهش در نشریه معتبر نیچر کامیونیکیشنز (Nature Communications) منتشر شده است.
سامانههای لیدار یکی از مهمترین اجزای خودروهای خودران و بسیاری از تجهیزات هوشمند امروزی به شمار میروند. این سامانهها با تاباندن پرتوهای لیزر و تحلیل بازتاب آنها، نقشهای سهبعدی و بسیار دقیق از محیط اطراف تهیه میکنند. به همین دلیل، لیدار نقش اساسی در تشخیص موانع، مسیر حرکت و تصمیمگیری خودروهای بدون راننده، رباتهای صنعتی و سامانههای پایش محیطی دارد.
با این حال، عملکرد این فناوری در شرایط آبوهوایی نامساعد همواره با چالش روبهرو بوده است. قطرات بسیار ریز مه، پرتوهای لیزر را پراکنده میکنند و قطرات بزرگتر باران نیز با شکست و پراش نور، موجب تضعیف سیگنالهای بازگشتی میشوند. در نتیجه، دقت تشخیص اجسام کاهش مییابد و احتمال بروز خطا در سامانههای هوشمند افزایش پیدا میکند.
در سالهای گذشته، پژوهشگران برای حل این مشکل پوششهای مختلفی توسعه داده بودند که با جذب نور خورشید، سطح حسگر را گرم کرده و بخار آب را از بین میبردند. این پوششها معمولاً از موادی مانند گرافن، نانولولههای کربنی، امایکسینها (MXenes) یا پلیمرهای ویژه ساخته میشدند. اما این مواد یک نقطه ضعف مهم داشتند؛ آنها علاوه بر نور مرئی، بخشی از نور فروسرخ نزدیک را نیز جذب میکردند و در نتیجه، شفافیت لازم برای عملکرد لیدار را کاهش میدادند.
برخی فناوریهای دیگر نیز از چندین لایه مجزا برای ایجاد خاصیت گرمایش و آبگریزی استفاده میکردند، اما این روشها علاوه بر افزایش هزینه تولید، موجب افت کیفیت عبور نور و پیچیدهتر شدن فرایند ساخت میشدند.
پژوهشگران در مطالعه جدید تلاش کردند تمام این قابلیتها را در قالب یک پوشش واحد و هوشمند ارائه کنند. برای دستیابی به این هدف، آنها از ساختار پرهای پنگوئن الهام گرفتند؛ پرهایی که بهواسطه ترکیب ویژه رنگدانههای جذبکننده نور و ساختار سلسلهمراتبی کراتینی، هم گرمای بدن را حفظ میکنند و هم آب را بهراحتی از سطح خود دفع میکنند.
بر همین اساس، پژوهشگران موفق شدند نانوساختاری موسوم به «نانومارپیچهای نانوکامپوزیتی پلاسمونیک» طراحی کنند. این ساختار از نانوذرات مس تشکیل شده که درون نانومارپیچهای سهبعدی سیلیکا جای گرفتهاند. نانوذرات مس نور مرئی خورشید را بهطور انتخابی جذب کرده و آن را به گرما تبدیل میکنند، در حالی که اجازه میدهند نور فروسرخ مورد استفاده سامانه لیدار تقریباً بدون افت از پوشش عبور کند.
برای دستیابی به بهترین عملکرد، پژوهشگران ابتدا با استفاده از شبیهسازیهای رایانهای پیشرفته، ترکیبهای مختلف فلزات، غلظت نانوذرات، ضخامت پوشش و هندسه نانوساختارها را بررسی کردند. نتایج نشان داد ترکیب نانوذرات مس با زمینه سیلیکایی بهترین توازن را میان جذب نور مرئی و شفافیت در طول موج ۹۰۵ نانومتر ــ طول موج رایج در سامانههای لیدار ــ ایجاد میکند.
پس از این مرحله، پژوهشگران با استفاده از روش لایهنشانی زاویه مایل، نانومارپیچهای سهبعدی متخلخلی تولید کردند که علاوه بر کاهش بازتاب نور، عبور نور را نیز افزایش میدهند. در ادامه نیز یک پوشش مولکولی آبگریز روی این ساختار اعمال شد تا خاصیت دفع آب به حداکثر برسد.
بررسیهای آزمایشگاهی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، طیفسنجی نوری، اندازهگیری زاویه تماس قطرات آب و آزمونهای گرمایش نوری نشان داد این پوشش عملکرد بسیار مطلوبی دارد. همچنین آزمایشهای مهزدایی، بارش مصنوعی، ارزیابی در فضای باز و آزمونهای دوام مکانیکی نیز توانایی آن را در شرایط واقعی تأیید کردند.
نتایج نشان داد این پوشش بیش از ۸۰ درصد شفافیت نوری را در طول موج ۹۰۵ نانومتر حفظ میکند؛ ویژگیای که در بسیاری از پوششهای گرمانور رایج وجود ندارد. همچنین این نانوساختار تنها با تابش طبیعی خورشید، دمای سطح را حدود ۹٫۳ درجه سانتیگراد افزایش میدهد؛ گرمایی که برای از بین بردن بخار آب بدون نیاز به هیچ منبع انرژی خارجی کافی است.
در آزمایشهای میدانی، بخار آب ایجادشده روی سطح حسگر تنها طی شش ثانیه از بین رفت و در آزمایشهای کنترلشده نیز شفافیت کامل سطح ظرف شش دقیقه بازیابی شد. افزون بر این، ساختار مارپیچی سلسلهمراتبی پوشش موجب شد زاویه تماس قطرات آب با سطح به حدود ۱۴۳ درجه برسد؛ به این معنا که قطرات باران بهجای چسبیدن به سطح، بهراحتی از روی آن میغلتند یا بازمیجهند.
آزمایشهای انجامشده در محیط باز نیز عملکرد قابل توجه این فناوری را نشان داد. در شرایط مهآلود، پنجره مجهز به این پوشش تقریباً بلافاصله پس از تشکیل بخار، شفافیت خود را بازیابی کرد، در حالی که شیشههای معمولی برای بازگشت به شرایط عادی به زمان بسیار بیشتری نیاز داشتند. همچنین در بارندگی متوسط، شیشههای فاقد پوشش پس از حدود ۲۰ دقیقه نزدیک به ۲۰ درصد افت سیگنال لیدار را تجربه کردند، اما پوشش نانویی جدید با دفع پیوسته قطرات باران، شدت سیگنال را تقریباً ثابت نگه داشت.
پژوهشگران همچنین دوام این فناوری را در برابر فشار زیاد آب، سایش مکانیکی و برخورد ذرات شن ارزیابی کردند. نتایج نشان داد نمونههایی که از نانومارپیچهای دوتایی بهره میبردند، پس از اعمال یک لایه بسیار نازک از اکسید آلومینیوم، شفافیت نوری، خاصیت گرمانوری و مقاومت مکانیکی خود را بهتر از نمونههای بلندتر حفظ کردند؛ موضوعی که قابلیت استفاده طولانیمدت این فناوری در محیطهای بیرونی را تقویت میکند.
به اعتقاد پژوهشگران، این دستاورد تنها به خودروهای خودران محدود نخواهد شد. این فناوری میتواند در سامانههای بینایی رباتها، پهپادها، دوربینهای نظارتی، حسگرهای محیطی، پنجرههای هوشمند، تجهیزات فوتونیکی و بسیاری از سامانههای نوری پیشرفته نیز مورد استفاده قرار گیرد.
پژوهشگران در پایان تأکید کردهاند که این نانوپوشش، نمونهای موفق از تلفیق الهامگیری از طبیعت با مهندسی نانومواد است؛ رویکردی که میتواند نسل جدیدی از پوششهای هوشمند، بادوام و چندمنظوره را برای تجهیزات اپتیکی آینده فراهم کند و ایمنی و دقت سامانههای خودکار را در شرایط سخت آبوهوایی به میزان چشمگیری افزایش دهد
