پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت ایران با همکاری دانشگاه لالگونی اسپانیا (University of La Laguna) موفق به تولید نانوکامپوزیت شیشه سرامیکی با توانایی تبدیل امواج فروسرخ به مرئی شدند. در حال حاضر فیلترهای نوری از مواد تک بلور ساخته می‌شوند که هزینه‌های بسیار هنگفتی دارند. استفاده از شیشه سرامیک‌ها با همان قابلیت‌ها اما با هزینه‌ی تولید کمتر می‌تواند گامی مؤثر در پیشرفت علم و صنعت باشد.
دانشگاه علم و صنعت ایران: تبدیل امواج فروسرخ به مرئی به وسیله‌ی نانوکامپوزیت‌های شیشه سرامیک
امروزه حسگرهایی که به پرتوهای فروسرخ حساس هستند، جهت بررسی کیفیت محصولات تولیدی در صنایع مختلف و یا برای تشخیص مکانیزیم واکنش‌های بیولوژیکی، دارویی، صنایع غذایی و دفاعی به کار گرفته می‌شوند. به تازگی در این زمینه، موادی شیشه‌ای با قابلیت تبدیل امواج فروسرخ به امواج مرئی مطرح شده است. اما تولید شیشه‌هایی برای این منظور، به دلیل مشکلات ساخت و هزینه‌ی بالا، مقرون به صرفه و اقتصادی نیستند و از کانون توجه خارج شده‌اند. در مقابل با توسعه‌ی نانوکامپوزیت‌های شیشه سرامیکی حاوی عناصر قلیایی خاکی دریچه‌ی تازه‌ای در فیزیک پایه و کاربردی، باز شده است. این شیشه سرامیک‌ها می‌توانند در سلول‌های خورشیدی، صنایع الکترونیک و صنایع فضایی به کار گرفته شوند.
در پژوهش حاضر، تمرکز بر روی نانوکامپوزیت‌های شیشه سرامیک شفاف بوده که سعی شده است پارامترهای مؤثر در انتخاب ترکیب و مکانیزم فرآیند در آن‌ها مشخص شود. دکتر محمدحسن ایمانیه، دانش‌آموخته مهندسی مواد از دانشگاه علم و صنعت ایران، در این باره می‌گوید: «با توجه به تحقیقات انجام شده، بررسی دقیق و سیستماتیک در شیشه سرامیک‌های سیستم (M=Ca or La) SiO2-Al2O3-MF با دیدگاهی جدید و رویکرد مهندسی مواد صورت گرفت. شایان ذکر است که اکثر تحقیقات در این نوع سیستم‌ها با تکیه بر جنبه‌ی علم فیزیک و اپتیک انجام گرفته بود. همچنین در مورد سیستم‌های مختلف، گزارش‌های متناقضی از توان و بازده سیستم‌های مد نظر، ارائه شده است. در تحقیق حاضر با تکیه بر جنبه‌ی موادی، پارامترهایی چون انتخاب ترکیب اولیه، رفتار تبلور، قابلیت شیشه‌سازی، جدایی فاز، بررسی میکروساختار و همچنین پارامترهای اپتیکی چون بازده لومینسانس و مکانیزم فرآیند تهییج و نشر مورد بررسی قرار گرفت».
این محققان به منظور دستیابی به اهداف، کار خود را در سه بخش دنبال کردند. ایمانیه، که در حال حاضر مشغول گذراندن فوق دکتری در دانشگاه تولیدو آمریکا (The University of Toledo) است، در این باره افزود: «ما در بخش اول به دنبال ساخت شیشه سرامیک‌های مبدل امواج فرو سرخ به مرئی بودیم. در گام دوم، تعیین عوامل مؤثر در تبدیل امواج فروسرخ به مرئی بود. این عوامل دسته‌بندی شدند و گام به گام اثر هریک مورد بررسی قرار گرفت. درادامه نقش عوامل تعیین شده، در رفتار اپتیکی و علم موادی شیشه سرامیک‌های مورد نظر تعیین شد. البته در طی این بررسی افزایش بازده نیز مدنظر قرار گرفته شده بود».
این محققان در راستای افزایش بازده تبدیل امواج، توانستند به افزایش مقدار فازبلوری، رژیم حرارتی مناسب و تغییر ترکیب با اضافه شدن فلورید لانتانیوم دست پیدا کنند. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که مقدار آلومینا و فلورید کلسیم نقش بسزایی در مکانیزم جدای سازی فاز، دمای تبلور و اندازه و درصد حجمی فاز بلوری فلورید کلسیم در شیشه‌های اکسی فلوریدی مورد بررسی، دارد.
این محققان به منظور دستیابی به اهداف، کار خود را در سه بخش دنبال کردند. ایمانیه، که در حال حاضر مشغول گذراندن فوق دکتری در دانشگاه تولیدو آمریکا (The University of Toledo) است، در این باره افزود: «ما در بخش اول به دنبال ساخت شیشه سرامیک‌های مبدل امواج فرو سرخ به مرئی بودیم. در گام دوم، تعیین عوامل مؤثر در تبدیل امواج فروسرخ به مرئی بود. این عوامل دسته‌بندی شدند و گام به گام اثر هریک مورد بررسی قرار گرفت. درادامه نقش عوامل تعیین شده، در رفتار اپتیکی و علم موادی شیشه سرامیک‌های مورد نظر تعیین شد. البته در طی این بررسی افزایش بازده نیز مدنظر قرار گرفته شده بود».
این محققان در راستای افزایش بازده تبدیل امواج، توانستند به افزایش مقدار فازبلوری، رژیم حرارتی مناسب و تغییر ترکیب با اضافه شدن فلورید لانتانیوم دست پیدا کنند. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که مقدار آلومینا و فلورید کلسیم نقش بسزایی در مکانیزم جدای سازی فاز، دمای تبلور و اندازه و درصد حجمی فاز بلوری فلورید کلسیم در شیشه‌های اکسی فلوریدی مورد بررسی، دارد.
نمایی از عملکرد شیشه سرامیک تولید شده برای سلول خورشیدی
ایمانیه بر این باور است که نتایج این تحقیقات می‌تواند در تدوین دانش فنی ساخت فیلترهای شیشه سرامیکی مورد کاربرد در سلول‌های خورشیدی، صنایع الکترونیک و صنایع فضایی به کار گرفته شود.
نتایج این تحقیقات که با تلاش دکتر محمد حسن ایمانیه و همکاران وی صورت گرفته است، تا کنون ۷ مقاله در مجلات معتبر در پی داشته است که یکی از آخرین نتایج آن در مجله‌ی Journal of the American Ceramic Society (جلد ۹۷، شماره ۳، ماه مارس، سال ۲۰۱۴، صفحات ۷۸۲ تا ۷۸۸) منتشر شده است.
