ایجاد ویژگی‌های جدید در نانوساختارها با جابه‌جایی اتم‌ها

نانوساختارهای مبتنی بر کادمیم (Cadmium) فرصت‌های جدیدی را در فناوری مادون قرمز نزدیک (NIR) از تصویربرداری پزشکی گرفته تا فیبر نوری و انرژی خورشیدی فراهم کرده‌اند. اما چالش اصلی در توسعه این مواد، کنترل دقیق ساختار اتمی آنها است. محققان مؤسسه هلمهولتز درسدن-روسندورف (HZDR) و دانشگاه صنعتی درسدن (TU Dresden) با استفاده از تبادل کاتیونی (Cation Exchange) توانستند ترکیب و ویژگی‌های نانوساختارها را با دقتی بی‌سابقه تغییر دهند.

کد خبر: ۷۸۷۴۱۲

تاریخ: ۱۷ فروردين ۱۴۰۴ - ۱۲:۵۱

به گزارش ایران اکونومیست، این پژوهش نشان می‌دهد که گوشه‌های فعال و نقص‌های ساختاری در این نانومواد، نقشی کلیدی در انتقال بار الکتریکی و جذب نور دارند. این کشف، راه را برای مواد خودسازمان‌یافته با قابلیت‌های پیشرفته باز می‌کند.

دکتر ریکو فریدریش (Rico Friedrich) از مؤسسه فیزیک پرتوهای یونی HZDR می‌گوید: توانایی اصلاح دقیق مواد برای دستیابی به ویژگی‌های نوری و الکترونیکی مطلوب، برای همه این کاربردها حیاتی است.

پروفسور الکساندر آیش‌مولر (Alexander Eychmüller)، رئیس گروه شیمی فیزیک در TU Dresden، اضافه می‌کند: در گذشته، فرایندهای سنتز نانوشیمیایی بیشتر بر اساس آزمون و خطا انجام می‌شدند، اما اکنون می‌توانیم ترکیب مواد را با دقت بی‌نظیری کنترل کنیم.

یکی از چالش‌های اساسی در تحقیقات نانومواد، کنترل ضخامت نانوساختارها بدون تغییر در طول و عرض آنها است. روش‌های سنتی، در دستیابی به این سطح از دقت ناکارآمد بوده‌اند. اما با استفاده از تبادل کاتیونی، می‌توان برخی یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) را به‌طور سیستماتیک در یک نانوذره با یون‌های دیگر جایگزین کرد.

پروفسور آیش‌مولر توضیح می‌دهد:  این روش، کنترل دقیقی بر ترکیب و ساختار مواد به ما می‌دهد، به‌گونه‌ای که بتوانیم خواصی را ایجاد کنیم که با روش‌های سنتی قابل دستیابی نبودند.

در این پژوهش، تمرکز اصلی بر نانوفلزهای صفحه‌ای (nanoplatelets) بوده که گوشه‌های آنها از نظر شیمیایی بسیار فعال هستند. این ویژگی باعث می‌شود که این نانوساختارها به‌راحتی در الگوهای منظم سازمان‌دهی شوند.

محققان با ترکیب روش‌های سنتز پیشرفته، میکروسکوپ الکترونی با وضوح اتمی و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای گسترده، تأثیر این نقص‌ها را بر خواص نوری و الکترونیکی نانومواد بررسی کردند.

نتایج نشان داد که این نقص‌های ساختاری، تراکم بالایی از حامل‌های بار الکتریکی ایجاد می‌کنند که می‌تواند بر انتقال بار و جذب نور تأثیر بگذارد. امکان استفاده از نقص‌های تک‌اتمی در کاتالیز تک‌اتمی (Single-Atom Catalysis) وجود دارد که موجب افزایش بازده فرایندهای شیمیایی می‌شود. کنترل دقیق این نقص‌ها، نقشی کلیدی در فعالیت نانومواد در محدوده مادون قرمز نزدیک (NIR) ایفا می‌کند که می‌تواند ویژگی‌های نوری مواد را بهینه‌سازی کند.

دکتر فریدریش می‌گوید: با قابلیت تبادل تک‌اتمی، می‌توانیم این نقص‌ها را برای بهبود ویژگی‌های نوری و الکترونیکی مهندسی کنیم.

یکی از نتایج مهم این پژوهش، امکان اتصال نانوصفحات از طریق گوشه‌های فعال آنها است که باعث شکل‌گیری ساختارهای منظم یا حتی مواد خودسازمان‌یافته (Self-Assembling Materials) می‌شود.

کاربردهای آینده:

* حسگرهای حساس به نور NIR برای پزشکی و زیست‌شناسی.

* قطعات الکترونیکی جدید با ویژگی‌های منحصربه‌فرد.

* افزایش بازده سلول‌های خورشیدی و حسگرهای نوری.

* بهبود روش‌های انتقال داده در فیبرهای نوری.

علاوه بر این، این یافته‌ها می‌توانند در سایر حوزه‌های نانوفناوری، کاتالیز و مواد کوانتومی نیز کاربرد داشته باشند. دستاوردهای این مطالعه تنها به لطف ترکیب روش‌های سنتز پیشرفته، آزمایش‌های تجربی دقیق و مدل‌سازی‌های نظری حاصل شده‌اند. محققان توانستند ساختار نانوذرات را با دقت اتمی کنترل کنند. تأثیر نقص‌های اتمی بر توزیع بار و ترکیب مواد را بررسی کردند. مدل‌سازی‌های نظری، دیدگاه جامعی درباره خواص نانومواد ارائه داد.

به نقل از ستاد نانو، این تحقیق، یک گام بزرگ در کنترل دقیق نانوساختارها و بهینه‌سازی خواص آنها است. با توسعه این فناوری، امکان تولید مواد هوشمند، کارآمد و پیشرفته برای حوزه‌های مختلف از پزشکی گرفته تا الکترونیک و انرژی فراهم خواهد شد.

آینده‌ای را تصور کنید که در آن، نانومواد به‌صورت خودسازمان‌یافته ساخته شوند، حسگرهای فوق‌حساس اطلاعات را با دقت بی‌سابقه پردازش کنند و پنل‌های خورشیدی بازدهی چند برابری داشته باشند. با جابه‌جایی چند اتم، این آینده بیش از هر زمان دیگری به واقعیت نزدیک شده است.