مواد معدنی چگونه تغییر رنگ می‌دهند؟

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از فوربس، پژوهشگران هنگام بررسی یک ماده شگفت‌انگیز طبیعی موسوم به "هاکمانیت"(Hackmanite) دریافتند که این ماده به علاوه دو ماده معدنی دیگر، در مواجهه مکرر با پرتو ماوراءبنفش می‌توانند رنگ خود را بدون فرسودگی تغییر دهند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهند هاکمانیت که ‌قیمت کمی دارد و تولید آن آسان است، به دلیل دوام بالا و کاربرد آن برای اهداف مختلف، یک ماده عالی به شمار می‌رود.

گروهی از پژوهشگران "دانشگاه تورکو"(University of Turku) در فنلاند، ویژگی‌های هاکمانیت را به مدت یک دهه مورد بررسی قرار داده‌اند. فناوری‌هایی مانند تصویربرداری اشعه‌ ایکس نیز براساس توانایی هاکمانیت در تغییر رنگ توسعه یافته‌اند.

هاکمانیت تحت تاثیر پرتو ماوراءبنفش، رنگ خود را از سفید به بنفش تغییر می‌دهد و نهایتا اگر پرتو ماوراءبنفش نتابد، دوباره به رنگ سفید درمی‌آید. ویژگی‌های ساختاری که چنین تغییرات مکرری را ممکن می‌سازند، تاکنون نامشخص بوده‌اند. اکنون پژوهشگران، با بررسی سه ماده معدنی طبیعی هاکمانیت، "توگتوپیت"(Tugtupite) و "اسکاپولیت"(Scapolite)، به پاسخ رسیده‌اند.

کانی‌هایی که قابلیت تغییر رنگ دارند، مواد طبیعی غیر آلی هستند اما ترکیبات آلی موسوم به "هیدروکربن‌ها"(hydrocarbons) نیز وجود دارند که به ‌دلیل قرار گرفتن در معرض تابش می‌توانند تغییر رنگ دهند. با وجود این، هیدروکربن‌ها پیش از این که ساختار مولکولی آنها تجزیه شود، تنها چند بار می‌توانند تغییر رنگ دهند. این موضوع به این دلیل است که تغییر رنگ شامل یک تغییر شدید در ساختار است و متحمل شدن مکرر این تغییر در نهایت باعث شکسته شدن مولکول می‌شود.

پروفسور "میکا لاستوساری"(Mika Lastusaari)، پژوهشگر بخش شیمی دانشگاه تورکو گفت: در این پژوهش برای نخستین بار متوجه شدیم که در واقع، یک تغییر ساختاری نیز در فرآیند تغییر رنگ وجود دارد. هنگامی که رنگ تغییر می‌کند، اتم‌های سدیم موجود در ساختار، نسبتا از مکان‌های معمول خود دور می‌شوند و به عقب باز می‌گردند. این فرآیند را می‌توان تنفس ساختاری نامید و حتی اگر چندین بار تکرار شود، ساختار را از بین نمی‌برد.

پژوهشگران ثابت کردند که توانایی هاکمانیت در جایگزینی رنگ‌های سفید و بنفش، بسیار قابل تکرار است. به گفته لاستوساری، دوام این مواد معدنی، به دلیل ساختار کلی قفس‌مانند و سه‌بعدی قوی آنها است که مشابه آن چیزی است که در "زئولیت‌ها"(Zeolite) یافت می‌شود. به عنوان مثال، در مواد شوینده، ساختار قفس‌مانند، زئولیت را قادر می‌سازد تا منیزیم و کلسیم را از آب حذف کند.

"سامی ووری"(Sami Vuori)، از پژوهشگران این پروژه گفت: در این کانی‌هایی که تغییر رنگ می‌دهند، تمام فرآیندهای مرتبط با تغییر رنگ، در منافذ قفس زئولیت رخ می‌دهند؛ یعنی جایی که اتم‌های سدیم و کلر در آن قرار دارند. این بدان معناست که ساختار قفس‌مانند، امکان حرکت اتمی در داخل قفس را فراهم می‌کند و در عین حال، خود قفس را دست‌نخورده نگه می‌دارد. به همین دلیل است که مواد معدنی می‌توانند رنگ خود را تغییر دهند و برای مدت نامحدودی به رنگ اصلی خود بازگردند.

پیشتر مشخص شده بود که اسکاپولیت بسیار سریع‌تر از هاکمانیت تغییر رنگ می‌دهد؛ در حالی که روند تغییر توگتوپیت بسیار کندتر است. "هانا بایرون"(Hannah Byron)، از پژوهشگران این پروژه گفت: ما براساس نتایج این پژوهش متوجه شدیم که سرعت تغییر رنگ، به فاصله حرکت اتم‌های سدیم بستگی دارد. این مشاهدات برای توسعه مواد در آینده مهم هستند زیرا اکنون می‌دانیم که چه مولفه‌ای از ساختار میزبان برای کنترل و تنظیم کردن تغییر رنگ مورد نیاز است.

لاستوساری گفت: هیچ روشی برای پژوهش در مورد کانی‌هایی که تغییر رنگ می‌دهند، وجود نداشت. به همین دلیل است که ما روش‌های جدیدی را توسعه داده‌ایم. با وجود این، تفسیر بدون ابهام نتایج براساس داده‌های تجربی، به تنهایی دشوار است. در واقع، ما نمی‌توانستیم بدون پشتیبانی قوی از محاسبات نظری، به نتایج کنونی برسیم زیرا نتایج فقط ترکیب داده‌های تجربی و محاسباتی را نشان می‌دهند. ما از همکار خود، پروفسور "تانگوی لو باهرز"(Tangui Le Bahers) و گروهش سپاس فراوان داریم که روش‌های محاسباتی مناسبی را با جزئیات و دقتی توسعه داده‌اند که تا چند سال پیش امکان‌پذیر نبود.

کاربردهای شگفت‌انگیز هاکمانیت

لاستوساری و همکارانش، یک پژوهش پیشگام را در مورد موادی دارای ویژگی‌های مرتبط با نور و رنگ، به ویژه در مورد هاکمانیت انجام داده‌اند. آنها در حال حاضر در حال بررسی کاربردهای متعدد هاکمانیت هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به جایگزینی LED و سایر لامپ‌ها با مواد معدنی طبیعی و استفاده از آن در تصویربرداری اشعه ایکس اشاره کرد.

یکی از جالب‌ترین کاربردهایی که پژوهشگران در حال حاضر در حال بررسی آن هستند، ابداع یک تشعشع‌سنج مبتنی بر هاکمانیت و آشکارسازهای غیرفعال برای "ایستگاه فضایی بین‌المللی"(ISS) است که برای اندازه‌گیری میزان جذب تشعشع مواد طی پروازهای فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ووری گفت: قدرت رنگ هاکمانیت به میزان تابش پرتو ماوراء‌بنفش بستگی دارد. این بدان معناست که از این ماده می‌توان به عنوان مثال، برای تعیین میزان پرتو ماوراء‌بنفش نور خورشید استفاده کرد. هاکمانیت که در ایستگاه فضایی بین‌المللی آزمایش خواهد شد، به روشی مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرد اما این ویژگی می‌تواند در کاربردهای روزمره نیز مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، ما پیشتر یک برنامه تلفن همراه را برای اندازه‌گیری اشعه ماوراء‌بنفش ابداع کرده‌ایم که همه افراد می‌توانند از آن استفاده کنند.

این پژوهش در مجله "PNAS" به چاپ رسید.