شفاف
در پرتوشناسی، جسم شفاف[1] جسمی است که کاملاً در برابر پرتوی نور یا انواع دیگر تابش‌های الکترومغناطیسی نفوذپذیر است و پرتوی تابش شده را کاملاً از خود عبور می دهد. در زمینه بصری، شفافیت همچنین به معنای وضوح و روشنی نیز به کار برده میشود.
از ویژگی های فیزیکی جسم شفاف میتوان به عبور نور از اجسام بدون پراکندگی قابل ملاحظه ای اشاره کرد. در مقیاس ماکروسکوپی،(ابعادمورد بررسی، بسیار بزرگتر از طول موج فوتون های مورد بحث است) میتوان گفت که فوتون ها ازقانون اسنل پیروی میکنند.جسم شفاف یا شفافیت اجازه عبور نور را میدهد,اما لزوماً از قانون اسنل پیروی نمی‌کند(همچنان در مقیاس ماکروسکوپی بحث میکنیم) فوتون ها میتوانند,در هریک از این دو خط اتصال و یا از درون بصورت داخلی جایی که تغییر در شاخص شکست وجود دارد پراکنده شوند. به عبارت دیگر؛یک ماده نیمه شفاف از اجزایی با شاخص های مختلف شکست تشکیل شده است.[2] مواد شفاف، واضح و شفاف دیده میشوندهمراه با یک رنگ سراسری یا هر ترکیبی که منجر به طیف درخشان از هر رنگ می شود.خاصیت مقابل شفافیت کدری است.
وقتی نور با ماده برخورد میکند,از چند راه مختلف امکان تعامل با ماده وجود دارد. این تعامل وابسته به طول موج نور و ماهیت ماده است. فوتون ها با ترکیبی از انعکاس،جذب و انتقال با جسم در تعاملند.برخی از مواد،مثل صفحه شیشه ای و آب تمیز،مقدار زیادی از نوری که به آنها میتابد را منتقل میکنند و مقدار کمی از آن را بازتاب میکنند.به چنین موادی شفاف نوری(optically transparent)گفته میشود. بسیاری از مایعات و محلول های شفاف بسیار نوری هستند. عدم وجود نقص ساختاری(حفرات،ترک ها و سایر موارد)و ساختار مولکولی اکثر مایعات علت انتقال نوری عالی هستند.موادی که نور را منتقل نمی‌کنند مات نامیده میشوند. بسیاری از این مواد دارای ترکیب شیمیایی هستند،که به عنوان مراکز جذب شناخته میشوند. بسیاری از مواد در جذب فرکانس های نور سفید انتخاب کننده هستند.آنها بخش های خاصی از طیف مریی را جذب میکنند در حالیکه بقیه را منعکس میکنند. فرکانس های طیفی جذب نشده یکی از این دو حالت را دارا هستند: یا منعکس میشوند و یا برای مشاهده فیزیکی ما انتقال داده میشوند. این همان چیزی است که باعث ایجاد رنگ میشود. میرایی نور در تمام فرکانس ها و طول موج ها به دلیل مکانیسم های ترکیبی جذب و پراکندگی است.[3] شفافیت برای حیواناتی که میتوانند به آن دسترسی پیدا کنند استتار تقریباً کاملی میتواند باشد.این امر در آب کدر و تیره و تار دریا بهتر از روشنایی میباشد. بسیاری از حیوانات دریایی مثل چتر دریایی بسیار شفافند.
بطور کلی شفاف یعنی چه؟ماده شفاف باید دارای دو ویژگی باشد:1.درونی و ذاتی 2.بیرونی 1.درونی:یعنی ساختار و ذات ماده بگونه ای باشد،که در برببر موج خاصی از امواج الکترومغناطیس یا فوتون ها که قرار میگیرند امکان انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت را نداشته باشند.یعنی فاصله بین لایه هدایت و ظرفیت بالا باشد(یا به عبارتی بندگپ( نوار ممنوعه ) بالایی داشته باشد).
مقدمه
با توجه به جذب نور،ملاحظات مواد اولیه عبارتند از: در سطح الکترونیکی جذب در فرابنفش و مرِئی(UV-Vis) به طیف مدارهای الکترونی وابسته است. بطوریکه،آنها بتوانند یک کوانتوم نور(یا فوتون) از یک فرکانس خاص را جذب کنند و قوانین انتخاب را نیز نقض نکنند. به عنوان مثال،در بیشتر عینک ها،الکترون ها به سطح بالاتری از انرژی در دسترسی ندارند،یا اگر چنین باشد،قوانین انتخاب را نقض میکنند،به این معنی که جذب قابل توجهی در عینک های خالص(بدون استفاده)وجود ندارد و انها را ایده‌آل میکند. مواد شفاف برای پنجره ها در ساختمان ها،در سطح اتمی یا مولکولی،جذب فیزیکی در قسمت مادون قرمز،طیف به فرکانس ارتعاشات اتمی یا مولکولی یا پیوند های شیمیایی و به قوانین انتخاب بستگی دارد. نیتروژن و اکسیژن گازهای گلخانه ای نیستند،زیراهیچ لحظه دو قطبی مولکولی (Dipole )وجود ندارد. با توجه به پراکندگی نور مهمترین عامل مقیاس طولی هریک یا همه این ویژگی های ساختاری نسبت به طول موج نور پراکنده است. ملاحظات اولیه موتد شامل مراحل زیر است: ساختار بلوری:این که آیا اتم ها یا مولکول ها نظم دوربرد را نشان میدهند که در جامدات بلوری مشهود است. ساختار شیشه ای:مراکز پراکندگی شامل نوسانات چگالی یا ترکیب است. ریز ساختار :مراکز پراکندگی شامل سطوح داخلی مانند مرزدانه ها،نقص کریستالوگرافی ومنافذ میکروسکوپی است. مواد آلی:مراکز پراکندگی شامل ساختار ها و مرز های فیبر و سلول است.
سرامیک شفاف
میزان شفافیت نوری در مواد پلی کریستالی توسط مقدار نوری که توسط ویژگی های ریز ساختاری انها پراکنده شده است،محدود میشود. پراکندگی نور به طول موج نور بستگی دارد.بنابراین،بسته به فرکانس موج نور و بعد فیزیکی مرکز پراکندگی،محدودیت های دید برای فضایی(با استفاده از نور سفید)به وجود می آیند. به عنوان مثال از انجا که نور مرئی مقیاس طول موج به ترتیب میکرومتر دارد مراکز پراکندگی ابعادی در مقیاس مکانی مشابه دارند. مراکز پراکندگی اولیه در مواد پلی کریستالی شامل نقص ریزساختاری مانند منافذ و مرز دانه ها است. علاوه بر منافذ ، بیشتر رابط ها در یک شی metal معمولی فلزی یا سرامیکی به صورت مرز دانه هستندکه مناطق ریز نظم متبلور را از هم جدا می کند. وقتی اندازه مرکز پراکندگی )یا مرز دانه( به زیر اندازه طول موج نور پراکنده کاهش می یابد ، دیگر پراکندگی به میزان قابل توجهی اتفاق نمی‌افتد. در تشکیل مواد پلی کریستالی )فلزات و سرامیک ها( اندازه دانه های کریستالی تا حد زیادی توسط اندازه ذرات بلوری موجود در ماده اولیه در هنگام تشکیل )یا فشار دادن( جسم تعیین می شود. علاوه بر این ، اندازه مرز دانه ها مستقیماً با اندازه ذرات مقیاس می شوند. بنابراین کاهش اندازه ذرات اصلی کاملاً کمتر از طول موج نور مرئی )حدود 1ً\15 طول موج نور یا تقریباً نانومتر 40 =15\600
( پراکندگی نور را از بین می برد و در نتیجه ماده ای مات یا حتی شفاف ایجاد می کند. مدل سازی رایانه ای انتقال نور از طریق آلومینای سرامیکی شفاف نشان داده است که منافذ میکروسکوپی محبوس در نزدیکی مرزهای دانه به عنوان مراکز پخش اولیه عمل می کنند. بخش حجمی تخلخل برای انتقال نوری با کیفیت بالا ) 99 / 99 درصد چگالی نظری( باید زیر 1٪ کاهش یابد. این هدف با استفاده از روشهای فرآوری شیمیایی نوظهور شامل روشهای شیمی سل ژل و فناوری نانو ، به راحتی در آزمایشگاهها و تأسیسات تحقیقاتی در سراسر جهان به دست آمده و به خوبی نشان داده شده است.[4]
سرامیک های شفاف در کاربردهای خود در مورد لیزرهای پرانرژی ، پنجره های زره پوش شفاف ، مخروط های دماغه برای موشک های گرمایشی ، ردیاب های تابش برای آزمایش غیر مخرب ، فیزیک انرژی بالا ، اکتشافات فضایی ، امنیت و کاربردهای تصویربرداری پزشکی ایجاد علاقه کرده اند. عناصر بزرگ لیزر ساخته شده از سرامیک های شفاف را می توان با هزینه نسبتاً کم تولید کرد. این ملفه ها فاقد استرس داخلی یا تجویز مجدد ذاتی هستند و اجازه می دهند سطح دوپینگ نسبتاً زیادی وجود داشته باشد و یا پروفایل های دوپینگ طراحی شده به صورت سفارشی بهینه شده باشد. این امر با عث می شود که عناصر لیزر سرامیکی برای لیزرهای با انرژی بالا از اهمیت ویژه ای برخوردار باشند.
توسعه محصولات پانل شفاف دارای کاربردهای پیشرفته بالقوه دیگری از جمله مقاومت بالا ، مواد مقاوم در برابر ضربه است که می تواند برای پنجره ها و پنجره های سقفی خانگی استفاده شود. شاید مهمتر این که دیوارها و سایر کاربردها مقاومت کلی را بهبود می بخشند ، به ویژه برای شرایط برشی بالا که در معرض لرزه ای و باد قرار دارد. اگر بهبودی های مورد انتظار در خصوصیات مکانیکی تحقق یابد ، اگر منطقه پنجره در واقع به مقاومت برشی دیوار کمک کند ، محدودیت های سنتی که در قوانین ساختمانی امروزی در مناطق لعاب دیده می شود ، می توانند به سرعت منسوخ شوند. مواد شفاف مادون قرمز موجود در حال حاضر معمولاً بین عملکرد نوری ، مقاومت مکانیکی و قیمت تفاوت دارند. به عنوان مثال ، یاقوت کبود ( آلومینای کریستالی ( بسیار قوی است ، اما گران است و در تمام محدوده مادون قرمز 3-5 میکرومتر فاقد شفافیت کامل از3-5 میکرومتر کاملاً شفاف است ، اماyttria فاقد مقاومت کافی ، سختی و مقاومت در برابر شوک حرارتی برای کاربردهای هوافضا با کارایی بالا است. جای تعجب نیست که ترکیبی از این دو ماده به شکل گارنت آلومینیوم ایتریوم (YAG) یکی از بهترین عملکردها در این زمینه است.
منابع
- از واژه‌های مصوب فرهنگستان زبان و ادب فارسی به جای transparent در انگلیسی است. «فرهنگ واژه‌های مصوّب فرهنگستان: ۱۳۷۶ تا ۱۳۸۵». فرهنگستان زبان و ادب فارسی. ص. ۱۴۳. بایگانی‌شده از اصلی در ۱۲ مه ۲۰۱۲. دریافت‌شده در ۲۹ اسفند ۱۳۹۰.
- Thomas, S.M. (October 21, 1999). "What determines whether a substance is transparent?". Scientific American.
- Fox, M. (2002). Optical Properties of Solids. Oxford University Press.
- Yamashita, I.; et al. (2008). "Transparent Ceramics". J. Am. Ceram. Soc. 91 (3): 813. doi:10.1111/j.1551-2916.2007.02202.x.
- Wikipedia contributors، "Transparency and translucency،" Wikipedia، The Free Encyclopedia، https://en.wikipedia.org/wiki/Transparency_and_translucency (accessed December ۲۸، ۲۰۲۰).