فتوکرومیک — به زبان ساده

در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به معرفی عینک‌های فتوکرومیک و اصول کارکردشان بپردازیم.

برای اکثر افرادی که از عینک استفاده می‌کنند، قرار گرفتن در معرض نور شدید آفتاب امری ناخوشایند است. چرا که عینک‌های آفتابی متناسب با شماره چشم آن‌ها نبوده و ساخت آن‌ها هزینه زیادی در بر دارد. یکی از بهترین راهکار‌ برای چنین افرادی، استفاده از عینک‌های فتوکرومیک (Photochromic lenses) است. همان‌طور که می‌دانید هنگامی که شیشه‌های فتوکرومیک در معرض نور شدید قرار می‌گیرند، تغییر رنگ داده و همانند عینک‌های آفتابی معمولی شدت نور ورودی به چشم را کاهش می‌دهند.

عینک‌های فتوکرومیک در بازار به نام‌های تجاری ®Transitions و Reactolite Rapide نیز معروف بوده و امروزه با قیمت مناسبی در دسترس همگان هستند. جهت بررسی اصول کارکرد این عینک‌ها در ادامه مطلب همراه ما باشید.

عینک‌های آفتابی معمولی

به بیانی ساده می‌توان گفت که اساس کار عینک‌های آفتابی معمولی، مسدود کردن مقداری از نور ورودی است. این عینک‌ها به یکی از دو روش زیر عمل می‌کنند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

برخی از این عینک‌ها که عموماً قیمت پایینی دارند، صرفاً فیلتر‌های رنگی بوده که تنها نور با رنگ خاصی (رنگ شیشه‌های عینک) را عبور می‌دهند. از آنجایی که تنها بخشی از نور (طول موج خاص) از عینک عبور می‌کند، شما تقریباً تصویری تاریک و تک رنگ را مشاهده می‌کنید. جهت آشنایی با رنگ‌های مختلف نوری به مقاله «طیف مرئی -- به زبان ساده» مراجعه کنید.

نوع دیگر عینک‌های آفتابی که معمولاً  قیمت بالاتری نسبت به فیلترهای رنگی دارند، بر اساس قطبش نور عمل می‌کنند. نور در حالت عادی، نوری ناقطبیده (عبارت صحیح‌تر : قطبش تصادفی) است. در فیزیک پلاریزاسیون یا قطبش امواج الکترومغناطیسی توسط بردار میدان الکتریکی تعیین می‌شود. در واقع اگر به طور مثال انتهای بردار میدان الکتریکی یک بیضی را جاروب کند، قطبش بیضوی یا اگر به صورت خطی تغییر کند، قطبش موج خطی است. فایل متحرک زیر موج الکترومغناطیسی با قطبش دایروی (تغییر انتهای بردار $$E$$ به صورت دایره‌ای) را نشان می‌دهد.

عینک‌های آفتابی پولاریزه، در واقع فیلتری قطبنده بوده که نوری عبوری از خود را قطبیده می‌کنند. از آنجایی که تنها بخشی از نور (قطبش خاص) از شیشه عینک عبور می‌کند، شدت کل نور عبوری کاهش یافته و شما محیط اطراف را کمی تاریک‌تر (تلفیقی از خاکستری ملایم - رنگی) مشاهده می‌کنید. شکل زیر یک فیلتر قطبنده خطی را نشان می‌دهد.

اما اساس کار عینک‌های فتوکرومیک کاملا متفاوت با دو حالت فوق است. عینک‌های فتوکرومیک در اثر وجود امواج فرابنفش (UV) کار می‌کنند. همان‌طور که می‌دانید فرکانس یا طول موج این امواج خارج از محدوده بینایی چشم انسان است. امواج فرابنفش به دلیل فرکانس بالایی (انرژی بالا $$E=hf$$)که دارند، تابش طولانی مدتشان برای انسان مضر است.

در محیط‌های سرپوشیده از آنجایی که معمولاً پنجره‌ها امواج فرابنفش را فیلتر می‌کنند، مقدار خیلی کمی از این امواج به محیط نفوذ می‌کنند. در نتیجه شدت این امواج جهت تیره شدن شیشه عینک‌های فتوکرومیک کافی نیست. هنگامی که در محیط‌ بیرون در معرض تابش شدید خورشید قرار می‌گیریم، به دلیل افزایش شدت امواج UV، شیشه‌های عینک فتوکرومیک به رنگ تیره در می‌آیند. البته در بازار عینک‌های فتوکرومیک که پلاریزه نیز هستند، موجود است. در ادامه مطلب در مورد چگونگی عملکرد ماده فتوکرومیک و تیره شدن شیشه‌های حاوی این مواد صحبت خواهیم کرد.

چه کسی عینک یا لنزهای فتوکرومیک را اختراع کرد؟

کلمه Photochromic متشکل از دو واژه یونانی Photo به نور و Chroma به معنی رنگ است. پس به طور تحت ا‌لفظی، معنای آن چیزی است که رنگ را در پاسخ به نور تغییر می‌دهد.

لنز‌های فتوکرومیک (فوتوکرومیک) در اوایل دهه 1960 میلادی توسط William H. Armistead و Stanley Donald اختراع شدند. در آن زمان عمکرد لنزهای فتوکرومیک همانند قطعه‌ فیلم‌های عکاسی قدیمی حاوی کریستال‌های نقره بود. با تابش نور به فیلم‌های عکاسی، کریستال‌های نقره به یکدیگر می‌پیوندند که در نتیجه فیلم عکاسی به رنگ تیره در می‌آید. به همین دلیل است که هنگام جا زدن فیلم‌های عکاسی در دوربین، هشدار می‌داند که در محفظه جای‌گیری فیلم باز نشود تا در معرض نور محیط قرار گیرد. همچنین دلیل نور کم و قرمز اتاق‌های مخصوص چاپ فیلم‌های عکاسی نیز این است که نور قرمز به دلیل فرکانس کمتر (انرژی فوتون کمتر) انرژی اولیه جهت رخ دادن فرآیند مذکور را نمی‌تواند فراهم کند.

لنزهای فتوکرومیک آن دوره نیز حاوی مقدار خیلی کمی از ذرات میکرومتری نقره بودند که هنگام تابش نور، عمکردی شبیه به فیلم‌های عکاسی از خود نشان می‌داند. تفاوت خیلی مهم بین لنزهای فتوکرومیک و فیلم‌های عکاسی، نوع فرآیندی است که اتفاق می‌افتد. تیره شدن فیلم عکاسی فرآیندی یک طرفه است. در حالی که تیره شدن شیشه عینک‌های فتوکرومیک فرآیندی برگشت‌پذیر بوده که به هنگام کاهش شدت نور، ذرات نقره به حالت اولیه‌شان برمی‌گردند.

لنزهای مدرن فتوکرومیک

لنز‌های فتوکرومیک جدید غالباً ساختاری پلاستیکی یا بهتر است بگوییم پلیمری دارند. این ساختار‌ها به جای استفاده از مواد شیمیایی حاوی نقره، حاوی مولکولی‌های آلی (مبتنی بر کربن) به نام naphthopyrans هستند.

هنگامی که این مواد در معرض امواج فرابنفش (UV) قرار می‌گیرند، ساختار مولکولیشان طی فرآیندی برگشت پذیر تغییر می‌کند. هرچه شدت نور بیشتر باشد، میزان تغییر مولکولی کل ساختار بیشتر شده و در نتیجه عینک فتوکرومیک بیشتر تیره می‌شود. البته به طور کلی، شدت‌های نوری خیلی زیاد می‌تواند باعث شکسته شدن پیوند‌های مولکولی نیز شود که این امر توسط نور خورشید برای عینک‌های فتوکرومیک رخ نمی‌دهد.

بسته به ماده آلی استفاده شده در عینک‌‌های فتوکرومیک زمان پاسخ نوری متفاوت است. امروزه به طور تقریبی پس از گذشت ۱۵ دقیقه، عینک‌های مذکور حدود 80٪ از نور خورشید را کاهش می‌دهند.

معایب عینک‌های فتوکرومیک

یکی از معایب عینک‌های فتوکرومیک، زمان به نسبت طولانی فرآیند برگشت است. به طور مثال برخی عینک‌ها تا بازگشت کامل (شفاف شدن کامل) نیاز به ۱ ساعت زمان دارند. همچنین ممکن است که در روزهای ابری و ساعات نزدیک به غروب، به مقدار کمی لنز عینک فتوکرومیک شما تیره شود. همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، دلیل این امر حساس بودن این مواد آلی به امواج فرابنفش است که حتی در روزهای ابری نیز در محیط وجود دارند.

مشکل جدی‌تری که عینک‌های فوتوکرومیک دارند، وابستگی شدید مولکول‌های ماده فتوکرومیک به دما است. این مواد در دمای سرد سرعت پاسخ‌دهی زیادی داشته و به طور موثر‌تری لنز عینک شما تیره می‌شود. این امر شاید خیلی مفید نباشد، چرا که در روز‌های سرد زمستانی، عینک شما به شدت تاریک شده و دید شما را مختل می‌کند. از دیگر معایب عینک‌های فتوکرومیک می‌توان به عملکرد ضعیف در اتومیبل اشاره کرد. اکثر اتومبیل‌های جدید دارای شیشه‌هایی هستند که امواج UV را عبور نمی‌دهند. در نتیجه شدت کافی جهت فرآیند رفت (تیره شدن لنز) به طور کامل رخ نمی‌دهد.

از دیگر مشکلات عینک‌های فتوکرومیک عمر مفید کوتاه (۳ الی ۵ سال) آن‌ها است. معمولاً پس از گذشت این زمان ماده فتوکرومیک کارایی خود را از دست داده و دیگر فرآیند‌های برگشت‌پذیر به خوبی انجام نمی‌شوند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر را نیز به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• آموزش نرم افزار لومریکال (Lumerical) برای شبیه سازی ادوات نوری – مقدماتی
• آموزش نرم افزار COMSOL Multiphysics برای پدیده های الکترومغناطیس
• فوتوسل -- به زبان ساده
• لیزر چیست؟ -- به زبان ساده
• فیبر نوری -- به زبان ساده

^^