سفر به اعماق دنیای نانو
پژوهشگران موسسه فناوری کالیفرنیا برای اولین بار دو روش موجود را برای تجسم دینامیک‌های ساختاری فیلم نازکی از گرافیت با موفقیت ترکیب کردند.
انتشارات موسسه آمریکایی فیزیک و انجمن کریستالوگرافی آمریکا این هفته مقاله‌ای در مجله استراکچرال داینامیکس منتشر کردند که توضیحاتی درباره جزئیات رویکرد یکپارچه‌سازی روش تجزیه و تحلیل ساختاری بسیار خاص به نام «طیف سنجی اتلاف هسته» روش دیگر شناخته شده به نام «طیف‌سنجی الکترونی چهار بعدی فوق سریع» را ارائه می‌دهد. طیف‌سنجی الکترونی چهار بعدی فوق سریع یک تکنیک مرسوم درآزمایشگاه دانشگاه صنعتی کالیفرنیا به سرپرستی برنده جایزه نوبل، احمد زویل است.
در طیف سنجی اتلاف هسته ، الکترون‌های روبشی سرعت بالا می‌توانند الکترون‌های هسته اتم خاصی در ماده را به طور انتخابی تحریک کنند. الکترون‌های هسته آنهایی هستند که بیشتر در قید نیروی هسته اتم هستند. مقدار انرژیی که الکترون‌های هسته به دست می‌آورند اطلاعاتی درباره ساختار الکترونیکی محلی ارایه می‌دهد، اما این روش توسط تفکیکپذیری زمانی محدود می‌شود، به طوری که در واکنش‌های کاتالیستی سریع بسیار آهسته عمل می‌کند. میکروسکوپ الکترونی چهار بعدی، همچنین با استفاده از پالس‌های کوتاهی از الکترون‌های پر انرژی، دینامیک‌های ساختاری مواد را در طول زمان برای بررسی نمونه آشکارسازی می‌کند، و برای تفکیکپذیری زمانی فوق سریع نیز مهندسی می‌شود.
ترکیب این دو روش به پژوهشگران اجازه می‌دهد به دقت تغییرات محلی در ساختار الکترونی در طول زمان را با تفکیکپذیری زمانی فوق سریع پیگیری کنند.
رانسکی فان‌در‌فِین، یکی از مولف‌های مقاله این تحقیق می‌گوید: « ما برای اولین بار نشان دادیم که می‌توانیم الکترون‌های هسته‌ای عمیقی که با انرژی پیوند نسبتا بالا، بیش از 100 الکترون-ولت مقید به هسته هستند را بررسی کنیم. ما ابزار روبش فوق سریعی در اختیار داریم که می تواند برای مثال، فرآیندهای آسایشی در نانوذرات فتوکاتالیستی، گذارهای فاز القاشده نوری در مواد نانو مقیاس نانو و یا دینامیک‌های انتقال بار در وجوه مشترک را مورد بررسی قرار دهد.»
ادغام این دو روش بسیار چالش برانگیز است. به این دلیل که الکترون‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند، تنها تعدادی از الکترون‌ها می‌توانند در یک پالس جمع شوند. هنگامی که پالسی را برای افزایش تفکیکپذیری زمانی کوتاه کنند، هر پالس شامل تعداد الکترون کمتری خواهد شد، و شانس تعامل بین الکترون‌های روبنده و الکترون‌های هسته کاهش می‌یابد. به خصوص در سطوح انرژی بالا باید الکترون‌های هسته‌ای عمیق تحریک شوند(پوسته‌های الکترونی اول و دوم).
پژوهشگران روش خود را روی فیلم نازکی از گرافیت امتحان کردند و به این ترتیب مشخص شد که تحریک لیزری باعث می‌شود پیوندهای کربن-کربن هم‌تراز در ساختار منبسط شده و شکاف انرژی π-π* به اندازه مقیاس زمانی پیکوثانیه‌ای (یک تریلیونوم ثانیه) کاهش می‌یابد.
طیف سنجی اتلاف هسته از لحاظی شبیه به طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس است، اما نسبت به آن دارای چندین مزیت حیاتی است. فان‌در‌فِین می‌گوید: «با استفاده از اشعه ایکس نیز مطالعه هر نانو ذره و تصویربرداری از آن در مقیاس اتمی مواد همچنان چالش‌برانگیز باقی مانده است. از این رو طیف سنجی فوق سریع اتلاف هسته در میکروسکوپ الکترونی مزیت بزرگی به حساب می‌آید. ما تصویربرداری، پراش و طیف سنجی را با هم ترکیب کردیم تا اطلاعات تکمیلی در مورد هر نمونه را بتوان به آسانی به دست آورد.»
توانایی تجسم دینامیک فوق سریع هر اتم کاربردهای گسترده ای در رشته‌های علمی، از علم مواد تا زیست شناسی خواهد داشت. پژوهشگران امیدوارند تحولات آینده در «منابع الکترونی پالسی و روش‌های تشخیص» امکان استفاده از تکنیک آنها در آزمایش‌های پیشرفته‌تر را فراهم کند.
No tags for this post.
