استفاده از گـوش در مطالعۀ ماهیت نانومواد

جالب است بدانیم، مسایل هیجان‌انگیز معناشناسی[3] در رابطه بین اتم یا مولکول و تصاویر میکروسکوپ پروب روبشی  (SPM) ، به ویژه STM و میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)  وجود دارد. تمام اشیا در مقیاس نانو بر حسب تعریف، زیر حد ریلی[4]، یعنی کوچکتر از نصف طول موج نور مرئی هستند. از آنجا که نور مرئی در مقیاس نانو وجود ندارد اجسام در ابعاد نانومتری نیز با میکروسکوپ نوری قابل رویت نخواهند بود. اما تصاویر STM  و AFM  (برای نشان دادن شکل سه‌بعدی یک اتم یا مولکول - و رنگ‌های دوست داشتنی برای تشخیص یک گونه از گونه‌ی دیگر) اغلب سایه دارند. گاهی اوقات ابعاد عمودی بیش از آنچه هستند در نظر گرفته شده و شکل‌های کروی تبدیل به مخروط می‌شوند. در ابزارهای SPM معمولا اتم‌ها  به صورت اشیاء منجمد  (مانند گوی‌های کوچک) نشان داده می‌شوند و آنچه از سایه، رنگ، شکل و صلبیت دیده می‌شود، همه مصنوعی هستند.

حقیقت ساده این است که تصویر یک اتم یا مولکول نمی‌تواند مانند یک اتم یا یک مولکول واقعی باشد. دانشمندان و مهندسان می‌دانند که این تصاویر شبیه عکس‌های ساده نیستند، اما باید بدانیم که هر نوع رسانه‌ای، چه علمی یا زیبا‌شناختی، و چه ترکیبی از هر دو، دارای محدودیت است.

اکنون می‌خواهیم یک رسانه دیگر برای آشنایی با مقیاس نانو را در نظر بگیریم: صداهای آزمایشگاهی که شنیده می‌شوند. مقاله سایروس مودی[5] در سال 2005، "صداهای علم"، ما را به این جنبه از دانش فرا می‌خواند. مودی به ما می‌گوید که " شنیدن و گوش دادن با فعالیت‌های آزمایشگاهی ارتباط زیادی دارند. صداها و نویزهای خواسته و ناخواسته در آزمایشگاه‌ها وجود دارند. به نظر می‌رسد اصوات به طور کامل با آزمایش‌ها و فعالیت‌های عملی در هم آمیخته شده‌اند."

کسانی که در آزمایشگاه‌های علمی کار می‌‌کنند، بین صدا و نویز تمایز قائلند. صداها داده‌های تجربی هستند - در حالی که نویز اطلاعات را مخدوش می‌کند که این مفهوم به دوران ارتباطات رادیویی برمی‌گردد. همانطور که مودی توضیح می دهد، تلاش های مکرر برای به حداقل رساندن صداهای ناخوشایند، به عنوان مثال صداهای محیط، که به عنوان آلودگی صوتی هم شناخته می‌شوند، در حال انجام است.

این مسئله یادآور مشکلی است که هنری جکیل، شخصیت اصلی رمان «پرونده‌ی مشکوک دکتر جکیل و آقای هاید» اثر رابرت لوییس استیونسون[6]، با آن رو به رو شده بود. دکتر جکیل به شدت تلاش می‌کرد تا رفتار هاید را بوسیله‌ی بهینه‌سازی موادی که برای تبدیل شدن به هاید مورد استفاده قرار می‌گرفت، کنترل کند. او سعی داشت ناخالصی‌های احتمالی را به تدریج و بطور کامل حذف کند. هر بار که او نزد شیمیدان محله‌ی خود می‌رفت، دوزهای خالص‌تری از داروهای تبدیل‌کننده در‌خواست می‌کرد. اما پس از گذشت زمان طولانی دریافت کرد که ناخالصی‌ها، همان مواد فعال در دارو و بخش‌ مورد نیاز آن هستند، و دوزهای بدون ناخالصی، اثری متفاوت با آنچه هدف دارو داشت می‌گذاشتند. نهایتا با وجود اینکه که جکیل قصد نداشت به هاید تبدیل شود، رفتار خشونت‌آمیز هاید بر ذات پاک او هم غلبه کرد.

می‌توان این موضوع را یادآور شد که آیا صداهای موجود در آزمایشگاه، آلودگی شنوایی هستند یا حاوی اطلاعاتی قابل استفاده‌‌اند. بنابر‌این قبل از این که تشخیص داده شود که آیا صدا واقعا نویز است یا اطلاعات قابل استفاده‌ای در آن وجود دارد، نباید آن را از بین برد. من به صداهایی فکر می‌کنم که انسان‌ها معمولا می‌خواهند آن را خاموش کنند: به عنوان مثال صدای دست زدن، یا صاف کردن گلو. هر دوی این صداها می‌توانند بر روی تصویری که از سطح اتم، توسط SPM، ایجاد شده تاثیر بگذارند؛ پس به نظر می‌رسد که این آلودگی‌های شنیداری موثر باشند. از نگاه دیگر، آن‌ها می‌توانند نشان‌دهنده‌ی حساسیت بالای STM یا AFMهم باشند. درست مثل رد قلم‌های خشن روی یک اثر نقاشی که به یک مورخ هنری نشان می‌دهد که نقاشی واقعا اثر ون‌گوک است. گاهی اوقات در علایم دیداری یا شنوایی ارزشی وجود دارند که نادیده گرفته می‌شود. این علایم معمولا در ابتدا نویز در نظر گرفته می‌شوند و ممکن است حذف شده ‌باشند.

مودی بر "اهمیت ذاتی صدا" تاکید می‌کند و می‌گوید گاهی اوقات تفکیک کامل صداهای مفید از نویزها ممکن نیست. علاوه بر این، باید بدانیم که سیگنال‌های شنوایی اغلب در امتداد سیگنال‌های دیداری شنیده می‌شوند و مکمل آن‌ها هستند. بنابراین صداهای آزمایشگاهی به همان اندازه‌ی علایم دیداری می‌توانند در اندازه‌گیری شرایط محیط، کالیبراسیون یک متغیر مستقل یا تغییرات متغیر وابسته، مفید باشند. اگر اطلاعات دیگری وجود دارند، باید از آن‌ها استفاده کنیم. هدف مودی بیان این مطلب است که در مقیاس نانو، داده‌های شنیداری موجود در آزمایشگاه، می‌توانند به همان اندازۀ داده‌های دیداری با ارزش باشند.

 تا این‌جا به نظریه مودی مبنی بر اهمیت داده‌های شنیداری در آزمایشگاه پرداختیم. حال می‌خواهیم نوع دیگری از صداها را معرفی کنیم که عمدا و با‌ دقت ایجاد می‌شوند، که می‌توان به تحقیقات تیری دولتور[7] دانشمند صوت از دانشگاه لورن، در زمینه آهنگ‌های مولکولی اشاره کرد. به گفته دولتور مطالعه‌ی راجع به صداها، مطالعه‌ی تبدیل داده‌های آزمایش به ابعاد صدا می‌باشد، مانند فرکانس، دامنه، و زمان. در واقعیت مولکول‌ها در حال حرکت هستند، بنابراین شاید بپرسید که این لرزش‌ها چه صدایی خواهند داشت. هر مولکول یک طیف ذاتی مخصوص به خود دارد که باعث ایجاد صوتی مشخص می‌شود. دولتور مراحل مختلفی را برای تبدیل صوت حاصل از لرزش مولکولی به داده ارائه کرده است. به بیان دیگر، نظریه‌ی کوانتوم در طبیعت، و به طور خاص لرزش مولکولی، می‌تواند به شکل طیفی از صدا ارائه ‌شود، و مولکول‌های متفاوت می‌توانند به صورت صداهای متفاوت قابل شنیدن باشند.

تصاویر دوست‌داشتنی سطوح اتمی، حاصل تعاملات تحلیلی و زیبایی‌شناسی است. دولتور بیشتر کار خود را بر مبنای تحلیل متمرکز کرده‌است تا زیبایی‌شناسی و می‌گوید "کار حاضر تلاش می‌کند تا نقش تکنیک‌های ذهنی و سلیقه‌ای را کم کند و بر استفاده از اطلاعات درونی طیف‌های ارتعاشی در مقیاس‌های زمانی متفاوت متمرکز شود." و این کار با ارزشی است. "شناسایی صوتی یک ماده شیمیایی" امکان‌پذیر است، زیرا "این اطلاعات به دست آمده برای شناسایی مواد شیمیایی و درک ساختارها و تعاملات مولکولی بسیار مفید هستند".

سیگنال‌های ارتعاشی مولکول‌های خاص می‌توانند به عنوان سیگنال‌های شنوایی آن‌ها شنیده شود. آیا داشتن یک ابزار دیگر برای شناسایی مولکول‌ها نمی‌تواند عالی باشد؟

فرایند تشخیص صدای نوسان در نانومواد، و تلاش برای شکل دادن آن صداها به صورت موسیقی، ممکن است برای کسانی که از دانش صوت اطلاعی ندارند سخت باشد، اما دولتور می‌گوید "هر نوازنده‌ای که به کیبوردهای برقی، پیانوی برقی، و رابط دیجیتالی سازهای موسیقی آشنا باشد، می‌تواند موسیقی مولکولی را تولید کند". او می‌تواند انواع مختلف زمینه، ریتم و سایر ویژگی های موسیقی را کنترل کند.

پس این صداها چیست؟ شما می توانید آنها را از طریق دو سیستم عامل بشنوید. تعداد زیادی از آن‌ها در یوتیوب وجود دارد  ( (عبارت Thierry Delatour youtube را در گوگل جستجو کنید) ، و بیشتر آن‌ها در یک سی‌دی با تعداد نسخه محدود هستند. من خوش شانس بودم که یکی از سی‌دی‌ها را هنگام ملاقات با دولتور در سمپوزیومی در سال 2011 دریافت کردم. پسر و دخترم فکر می‌کنند که پدرشان مریض است که این چنین با دقت به مجموعه‌ای طولانی از صداهای بوق و سیگنال و صداهای الکترونیکی گوش می‌کند. آیا پدرشان نمی‌داند که چه آهنگ‌های خوبی وجود دارد؟  (شاید او چیزی در مورد سلیقه‌ی موسیقی فرزندانش نمی‌فهمد. البته ناتوانی والدین از لذت بردن موسیقی‌های مورد علاقه فرزندان، یک مشکل ابدی است.)

راه حل من این است که سی‌دی دولتور را در هنگامی که پسر و دخترم با من نیستند گوش می‌کنم. این چیزی است که من می‌شنوم: انواع بوق‌های مختلف، کلیک‌ها، خش، وزوز، سر و صدا و چیزی شبیه به قطرات آب در یک سطح مایع. اما این صداها را می‌توان با چندین روش دستکاری کرد: سریع یا آهسته، بلند یا آرام، گام‌های مختلف و غیره.

جالب‌تر این که می‌توان از آن‌ها برای ایجاد الگوی ریتمیک تقریبا مانند سازهای کوبه‌ای روی یک کیبورد برقی ایجاد کرد.

یک محلول کلرید کبالت، صدایی مانند انتقال از صدای هممممم به وزوز دارد. یک تفسیر از صدای مایع شدن آب این است که اول صدای زنبورها به ذهن می‌آید و سپس حس پیانوی بزرگی که صدای زنبورها را تقلید می‌کند. سیگنال یک ماده دیگر شاید شبیه به ارتعاشات سونار در آب باشد. با این طیف صداها ممکن است دولتور گاهی اوقات انواع مختلفی از همان مولکول را پیشنهاد دهد. در یک مورد، ما می‌توانیم نوسانات اسید فرمیک  (HCO2H) که به شکل نواهای مختلف ارائه شده است را بشنویم.

کسانی که بیش از من در مورد موسیقی و صدا می‌دانند، می‌توانند به شما در مورد تفاوت‌های ظریف شنوایی که سیگنال یک مولکول را از دیگر مولکول‌ها متمایز می‌کند، سخن بگویند. نکته‌ی دریافتی از نوای مولکول‌های دولتور این است که ما می‌توانیم با فرمول شیمیایی آن و با تصویر SPM تولید شده از آن، و همچنین با صدای منحصر به فرد آن، مولکول را شناسایی کنیم.

بدون تردید مسائل شناسایی جالبی در ارتباط بین یک مولکول و صدای آن وجود دارد، درست مانند ارتباط بین مولکول و تصویر آن. روابط بین علم و زیبایی‌شناسی از این جهت برای ما دلپذیر است که درک ما را غنی‌تر می‌کند، نه اینکه پاسخ همۀ سوالات ما را فراهم کند.

 

منبع:

Listening, Chris Toumey, Nature Nanotechnology, VOL 13, JULY 2018, 526–527.