فناوری نانو و دستاوردهای آن در جهان؛

سریع‌ترین روش برای اندازه‌گیری سرعت انتقال نانوذرات

محققان دانشگاه صنعتی کالیفرنیا(Caltech) اعلام کرده‌اند که به روشی دست یافته‌اند که سریع‌ترین راه برای سنجش سرعت انتقال نانوذرات است.

کد خبر: ۱۷۰۷۹۰

تاریخ: ۰۶ شهريور ۱۳۹۶ - ۰۸:۲۷

به گزارش ایران اکونومیست به نقل از نانوتک، محققان این دانشگاه معتقدند این روش، اولین روش فوق سریع برای اندازه‌گیری سرعت انتقال نانوذرات طلا در آب محسوب می‌شود.

نام این روش ذره بینی الکترونی چهاربعدی در مایعات است. زمانی که نانوذرات طلا که به نور حساس هستند، با پالس‌های قدرتمند لیزر برانگیخته می‌شوند، نیروی قدرتمندی از طرف نانوحباب‌های تولید شده در اطراف سطح این ذرات ایجاد می‌شود که می‌تواند به توسعه نانومواد حساس به نور در محیط‌های مایع کمک زیادی بکند.

حرکت ذرات معلق در مایعات یک حرکت نامنظم و تصادفی است که اولین بار بوسیله "رابرت براون"(Robert Brown) در سال 1827 دیده شد که به افتخار وی به آن حرکت براونی نیز گفته می‌شود. این حرکت سبب می‌شود ذرات پراکنده شده و با هم مخلوط شوند. آلبرت اینشتین در سال 1905 نشان داد که این حرکت به خاطر برخورد ذرات با مولکول‌های محیط اطراف است.

در سال‌های اخیر محققان به مطالعه حرکت‌های به دور از تعادل پرداخته‌اند تا بتوانند از اصول حرکت براونی برای کاربردهای پزشکی و نانوفناوری بهره بگیرند.

دستاورد محققان "کلتک" یکی از نمونه‌های استفاده از این قاعده در رابطه با دنیای نانومواد است.

در اینجا یک نیروی خارجی می‌تواند ذره را از تعادل خارج کرده و به حرکت براونی وادار کند. چنین سامانه‌هایی در طبیعت به وفور دیده می‌شوند که از نمونه‌های آن می‌توان به حرکت باکتری‌ها و سلول‌ها اشاره کرد.

این نیروها به عنوان یک موتور محرک مصنوعی حساس به نور برای به حرکت درآوردن نانو ذرات محسوب می‌شوند و می‌توانند در جراحی‌های غیرتهاجمی و همچنین دارورسانی در بدن مورد استفاده قرار بگیرند.

شناخت صحیح روند حرکتی نانومواد در مایعات به دلیل نبود تکنیک‌های کارآمد در تصویربرداری میکروسکوپیک از مایعات یکی از چالش‌های پیش روی محققان محسوب می‌شود.

برای مثال، میکروسکوپ الکترونی سلول مایع ابزار نسبتا مناسبی است، اما تصاویری که به دست آمده است، یا ثابت هستند یا به دلیل پاسخ میلی ثانیه از آشکارساز به آرامی به دست می‌آیند و نمی‌توانند نیازهای محققان را برآورده کنند.

محققان "کلتک" به رهبری "احمد زویل"محقق مصری که متاسفانه سال گذشته فوت کرد، به تازگی یک تکنیک به نام "4D-EM" ایجاد کرده‌اند که مدت زمان پاسخ دهی آن محدود نیست، اما اولین میکروسکوپ آنها تنها قادر به کار در حالت جامد بود.

همین تیم در حال حاضر به طور موفقیت آمیز تکنیک را بهبود می‌بخشد. تکنیکی که آنها آن را "سلول مایع 4D-EM" نامیده‌اند. بنابراین در فاز مایع کار می‌کند و از آن برای تصویر برداری از تبدیل فوق العاده سریع و چرخش نانوذرات طلا در آب به عنوان ذرات برانگیخته با پالس‌های فمتوثانیه‌ای (یک میلیون میلیاردم ثانیه یا 10 به توان منفی 15) لیزر استفاده می‌شود.

محققان افزایش چهار تا پنج برابری ضریب انتشار نانوذرات را تحت قرارگیری در معرض اشعه لیزر، مشاهده کردند. این افزایش معادل با انتشار در سرعت‌های نانو ثانیه است.

آنها می‌گویند این حرکت به واسطه تشکیل نانوحباب‌های عکس گرفته شده بر روی سطح ذرات هدایت می‌شود و سپس ذرات را به حرکت در می‌آورد.

این حباب‌ها را می‌توان با استفاده از "4D-EM" همزمان با حرکت ذرات مشاهده کرد.

با استفاده از پالس‌های برانگیزاننده مداوم و مکرر، گرما تولید می‌شود که منجر به ترکیب نانوحباب‌های کوچکتر می‌شود تا نمونه‌های بزرگتر و قابل رویت آنان بتوانند نانوذرات را در مسیرهای مختلف حرکت دهند.

"ژوون فو" سرپرست تیم تحقیقاتی توضیح می‌دهد: "4D-EM" یک تکنیک تصویربرداری فوق العاده سریع است که لیزرهای فوق سریع و انتقال میکروسکوپی الکترونی را ترکیب می‌کند.

وی افزود: ما از دو پرتو فوق کوتاه لیزر استفاده می‌کنیم. اولین مورد برای حرکت ذرات در مایع استفاده می‌شود، در حالی که یک پالس الکترونی دقیق که توسط پالس دوم لیزر فوق تولید شده است، برای تصویربرداری از حالت زود گذر فرآیند دینامیکی استفاده می‌شود.

برای تصویربرداری از فرآیند انتشار سریع نانو ذرات در مایع، ما یک سلول مایع طراحی کردیم که یک لایه فوق نازک (صدها نانومتر) را در تگنا قرار می‌دهد و آن را با "4D-EM" ادغام می‌کند.

این سلول مایع می‌تواند در خلاء بالا کار کند و برای هر دو پالس‌های لیزری فوق کوتاه و پالس‌های الکترونی، تصویربرداری با رزولوشن بالا با یک پالس الکترونی ضعیف و عکاسی نانوذرات برانگیخته شده در مایع را امکان پذیر می‌سازد.

"فو" خاطرنشان کرد: برای تصویربرداری از تحرکات نانوذرات در مایعات ما یک سلول مایع طراحی کردیم که اطراف یک لایه مایع فوق نازک را می‌پوشاند تا به  4D-EM متصل شوند. با توجه به شفاف بودن این سلول و امکان کار کردن آن در خلاء با پالس‌های لیزری و الکترونی، تصویربرداری با وضوح بسیار بالا از این سلول‌ها امکان‌پذیر می‌شود.

مکانیسم‌ حرکتی نانوحباب‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند می‌تواند در شناخت سامانه‌های فیزیکی و زیستی نامتعادل کمک کند و بینش بهتری برای مطالعات آینده فراهم کند.

حال محققان در حال تلاش هستند تا ببینند که چطور می‌توانند از این فناوری‌های نانویی حساس به نور در دنیای واقعی و خارج از آزمایشگاه استفاده کنند.

محقق ارشد این تحقیق گفت: ما سعی خواهیم کرد تا با استفاده از تکنیک پیشرفته تصویربرداری 4D-EM در محیط مایع پیشرفت کنیم و از آن برای بررسی پروسه‌های دینامیکی که در مواد شیمیایی و تغییرات بیولوژیکی موجود در مایعات رخ می دهد، توان‌مندتر شویم و تحولاتی نظیر واکنشهای شیمیایی، تبدیل مولکول‌ها و نانوبلورها و همچنین دینامیک سازگاری مولکول‌های زیستی را به خوبی مورد ارزیابی قرار دهیم.

این تحقیق در ژورنال علمی Science Advances منتشر شده است.