Artikel ini menerangkan cara penderia inframerah berfungsi dan peranan sains bahan dalam menjadikannya mungkin, dan membincangkan sifat bahan superkonduktor dan pelbagai aplikasinya.
Ia adalah bilik yang gelap dan sempit, tetapi sentiasa ada kawan baik yang menunggu anda dengan senyuman cerah yang membantu anda untuk tidak tersandung dalam bilik gelap ini. Rakan ini dipanggil cahaya sensor inframerah, dan ia adalah produk sains bahan yang telah membantu mencerahkan kehidupan kita.
Penderia inframerah ini, yang sering kita lihat apabila kita masuk ke bilik mandi, lorong atau pintu masuk rumah, benar-benar berfungsi dengan mengesan sinaran inframerah daripada badan kita. Cahaya inframerah ialah cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang daripada cahaya yang kelihatan, dan badan kita memancarkan cahaya inframerah dengan panjang gelombang kira-kira 9.4um. Walau bagaimanapun, tidak seperti cahaya yang boleh dilihat, ia tidak dapat dilihat oleh mata, jadi kita biasanya tidak menyedarinya. Walau bagaimanapun, sensor berfungsi dengan mengesan cahaya inframerah apabila objek dengan perbezaan suhu lebih daripada 3 darjah dari suhu ambien menghampiri zon pengesanan pada kelajuan antara 30 sentimeter dan 2 meter sesaat. Jika tiada apa-apa dikesan selepas tempoh masa tertentu, ia berhenti berfungsi untuk mengelakkan pembaziran kuasa. Atas sebab ini, pada musim panas, perbezaan antara suhu badan kita dan suhu persekitaran tidak begitu hebat, jadi penderia mungkin tidak dapat mengesan juga.
Kemunculan penderia inframerah adalah lebih daripada sekadar kemudahan, ia merupakan satu langkah besar ke hadapan dalam keselamatan dan kecekapan. Contohnya, sistem pencahayaan automatik di rumah, seperti lampu anjung dan tandas, membantu menjimatkan tenaga dengan mengurangkan pembaziran kuasa yang tidak diperlukan dan menyediakan cahaya hanya apabila ia diperlukan. Tambahan pula, teknologi ini juga memainkan peranan penting dalam sistem keselamatan. Apabila penceroboh dikesan, lampu amaran akan dihidupkan secara automatik atau penggera berbunyi, menyumbang kepada keselamatan ruang kediaman. Seperti yang anda lihat, penderia inframerah meningkatkan kehidupan kita dalam pelbagai cara.
Tetapi bahan apakah yang diperbuat daripada sensor ini yang membolehkan mereka mengesan sinaran inframerah daripada badan kita? Penderia ini dimungkinkan oleh "bahan superkonduktor," yang merupakan produk sains bahan yang kita bincangkan sebelum ini. Molekul berbeza yang membentuk bahan mempunyai sifat yang berbeza bergantung pada bentuknya dan atom yang terdiri daripadanya. Sebahagian daripada molekul ini adalah kristal, dan apabila perubahan suhu dikenakan pada kristal, permukaan kristal berubah disebabkan oleh perubahan dalam keadaan kinetik atom akibat haba atau perubahan bentuk akibat pengembangan haba. Ini menyebabkan perubahan dalam potensi elektrik. Ringkasnya, sifat yang membolehkan elektrik dijana akibat perubahan suhu dipanggil superkonduktiviti, dan bahan dengan sifat ini dipanggil 'bahan superkonduktor'.
Untuk berfungsi dengan berkesan sebagai superkonduktor, molekul itu sendiri mesti mempunyai tahap polarisasi yang tinggi dalam keadaan semula jadinya. Bahan-bahan ini dipanggil ferroelektrik dan biasanya digunakan dalam penderia superkonduktor. Ferroelektrik biasa ialah seramik. Kebanyakan bahan piroelektrik seramik ini berasaskan PZT (molekul seramik dengan superkonduktiviti tinggi), dan pelbagai komponen boleh ditambah kepadanya untuk menjadikannya lebih tahan lama atau membentuk bahan dengan sifat tertentu.
Penderia piroelektrik dibuat daripada bahan-bahan ini. Penderia piroelektrik boleh mengukur keamatan cahaya kejadian dengan menggunakan superkonduktiviti, iaitu sifat yang mengubah magnitud polarisasi elektrik (polarisasi) apabila cahaya mengenai bahan dan suhu objek meningkat disebabkan oleh tenaga cahaya. Berdasarkan prinsip ini, penderia piroelektrik digunakan sebagai penderia suhu dan penderia inframerah. Penderia suhu boleh mengesan suhu melalui sentuhan langsung atau dengan mengukur sinaran inframerah yang dipancarkan oleh objek. Penderia inframerah mengukur cahaya yang dipancarkan oleh objek itu sendiri. Ini memberi kelebihan kepada mereka kerana dapat memerhati pada waktu malam. Cahaya inframerah juga sebahagian besarnya menembusi, walaupun melalui asap, jadi ia boleh mengambil imej walaupun ia dikaburkan. Semua ini dimungkinkan oleh fakta bahawa ia berdasarkan bahan super.
Beginilah cara penderia boleh menyambut kami di depan pintu rumah kami. Aplikasi lain termasuk sistem pintu automatik, penderia badan manusia, penggera pencerobohan, pengesan asap dan fotografi inframerah. Sebagai contoh, dalam kes pengesan gas, penderia piroelektrik yang mengesan panjang gelombang di sekitar 4.3um, iaitu panjang gelombang CO2, boleh digunakan untuk menentukan kepekatan CO2 dalam udara. Contoh lain ialah vidicon. Vidicon ialah apa yang kita panggil kamera inframerah, yang menggunakan bahan piroelektrik untuk menangkap objek dalam fasa dan kemudian memperoleh imej terma. Cahaya daripada objek kemudiannya ditangkap oleh penukar fasa dan kelihatan kepada mata manusia, sama seperti prinsip kamera biasa.
Tambahan pula, bahan piroelektrik dan teknologi sensor juga digunakan dalam bidang perubatan. Sebagai contoh, termometer bukan sentuhan menggunakan penderia piroelektrik untuk mengukur suhu badan dengan tepat dari jauh, yang telah menjadi alat penting untuk pengukuran suhu tanpa sentuhan, terutamanya semasa wabak. Penderia inframerah juga digunakan dalam tilam pintar untuk mengurangkan ketidakselesaan yang disebabkan oleh turun naik suhu pada waktu malam, menyumbang kepada kualiti tidur yang lebih baik.
Penciptaan bahan piroelektrik ini telah membolehkan saintis membina penderia piroelektrik, yang telah membantu kita dalam banyak cara dalam kehidupan kita, walaupun di tempat yang tidak kita sedari. Malah pada hari ini, apabila anda masuk ke rumah kosong selepas membaca artikel ini, anda akan disambut oleh sensor piroelektrik yang kini dikenali, menerangi tanah di bawah kaki anda.
