پژوهشگران در ایالات متحده موفق شده‌اند مستقیما جنبش رفت-برگشتی اتم‌های سیلیسیمی را که در حفره‌های گرافینی گرد آمده‌اند، تصویرسازی کنند.
به گزارش ایسنا، به این ترتیب، توانایی تحلیل خوشه‌های کوچک به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چگونه پیکربندی‌های اتمی متفاوت، ویژگی‌های یک ماده را تعیین می‌کند.
توانایی مهندسی خوشه‌هایی با ویژگی‌های مشخص می‌تواند قطعات جدیدی برای الکترونیک یا اپتوالکترونیک تولید کند. همچنین درک بهتر رفتار حفره‌های گرافین منجر به کاربردهای عملی همچون نمکزدایی از آب می‌شود.
این گروه که در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج کار می‌کند، کار برجسته خود را با استفاده از گرافین انجام داد تا گروه‌هایی از خوشه‌های شش اتمی سیلیسیم را به دام بیندازد. گرافین ورقه‌ای از کربن با ضخامت یک اتم است که ساختار شبکه آن لانه‌زنبوری است. خوشه‌ها درون نانوحفره‌های گرافین گیر می‌کنند، همین به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مستقیما با یک میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی (STEM) با تصحیح ابیراهی و ولتاژ پایین (۶۰ کیلووات) تصویربرداری شوند.
حساسیت تک‌اتمی
خوان - کارلوس ایدروبو (Juan-Carlos Idrobo) می‌گوید: «مزیت استفاده از STEM در مقایسه با دیگر روش‌های میکروسکوپی این است که می‌توانیم اطلاعات بلورشناسی، یعنی موقعیت اتمی نمونه را به دست آوریم. همچنین می‌توانیم شکل شیمیایی عناصر حاضر در نمونه را یا از طریق کمّی‌سازی عکس یا عکسبرداری طیفی با استفاده از طیف‌سنجی اتلاف انرژی (EELS) مشخص کنیم». مزیت دیگر آزمایش‌های STEM حساسیت آن به تک اتم‌هاست که به ما اجازه می‌دهد تا مستقیما تعداد اتم خوشه سیلیسیمی را بشماریم.
این اولین بار نیست که دانشمندان توانسته‌اند به خوشه‌های سیلیکونی در آزمایشگاه نگاه کنند؛ اما به نظر عضو گروه جیکوانگ لی (Jaekwang Lee) مشاهدات قبلی نامستقیم بودند. به علاوه، تعیین ساختار اتمی سه بعدی خوشه‌ها ممکن نبوده است.
یکی از مشاهدات مهمِ پژوهشگران ORNL این است که یکی از اتم‌های سیلیسیم در خوشه‌ها موقعیت خود را عوض کرد و بین دو مکان مشخص عقب و جلو رفت.
ایدروبو می‌گوید: «آن‌چه قبلا در عکسبرداری STEM دیده شده بود این بود که اتم ها به دلیل انرژی بالای پرتو الکترونی از نمونه به بیرون پرتاب می‌شدند اما ما اتم سیلیسیمی را نشانه‌گذاری کردیم که درون خوشه باقی می‌ماند و در آن حوالی می‌رقصد.»
همچنین با استفاده از محاسبات اصولی اولیه، گروه توانست انرژی‌های خوشه سیلیسیومی را هنگام برهمکنش با پرتو الکترونی و انرژی فراوان موردنیاز را برای رقص یک اتم سیلیسیم درون یک خوشه محاسبه کند.
ایدروبو می‌افزاید: «به دام انداختن خوشه‌های اتمی درون نانوحفره‌های گرافین می‌تواند کاربردهایی در حوزه‌هایی همچون الکترونیک، اپتوالکترونیک و کاتالیز (تجزیه) بیابد.»
مطالعه کاتالیزور
به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، آزمایش ساده‌ای که می‌توان در آینده انجام داد این است که گرافینی با اندازه حفره‌های مشخص بسازیم و سپس خوشه‌هایی با کارکردهای متفاوت را در آن تعبیه کنیم. برای مثال خوشه‌هایی که فعالیت کاتالیکی دارند در حفره‌های گرافین گیر بیفتند به نحوی که پژوهشگران بتوانند مستقیما ساختارهای اتمی و الکترونی را با استفاده از STEM مطالعه کنند.
این گروه به دنبال مورد دیگری نیز هست: چگونه برهمکنش بین خوشه‌ها و گرافین می‌تواند در توسعه فناوری‌های مبتنی بر گرافین نقش ایفا کند؟
ایدروبو می‌گوید: «از آن جا که وقتی خوشه‌های سیلیسیم در حفره‌های گرافین تعبیه می‌شوند پایدار هستند، تصمیم گرفته‌ایم که پژوهش را از ابتدا آغاز کنیم و اکنون در حال بررسی هستیم که کدام عنصر می‌تواند این حفره‌ها را پایدار کند.»
وی توضیح می‌دهد: «حفره‌های پایدار با قطرهای مشخص می‌توانند به عنوان صافی‌های مولکولی بسیار کارآمد و شاید به عنوان نمکزدای آب در آینده به کار روند.»
به گزارش ایسنا، به این ترتیب، توانایی تحلیل خوشه‌های کوچک به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چگونه پیکربندی‌های اتمی متفاوت، ویژگی‌های یک ماده را تعیین می‌کند.
توانایی مهندسی خوشه‌هایی با ویژگی‌های مشخص می‌تواند قطعات جدیدی برای الکترونیک یا اپتوالکترونیک تولید کند. همچنین درک بهتر رفتار حفره‌های گرافین منجر به کاربردهای عملی همچون نمکزدایی از آب می‌شود.
این گروه که در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج کار می‌کند، کار برجسته خود را با استفاده از گرافین انجام داد تا گروه‌هایی از خوشه‌های شش اتمی سیلیسیم را به دام بیندازد. گرافین ورقه‌ای از کربن با ضخامت یک اتم است که ساختار شبکه آن لانه‌زنبوری است. خوشه‌ها درون نانوحفره‌های گرافین گیر می‌کنند، همین به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مستقیما با یک میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی (STEM) با تصحیح ابیراهی و ولتاژ پایین (۶۰ کیلووات) تصویربرداری شوند.
حساسیت تک‌اتمی
خوان - کارلوس ایدروبو (Juan-Carlos Idrobo) می‌گوید: «مزیت استفاده از STEM در مقایسه با دیگر روش‌های میکروسکوپی این است که می‌توانیم اطلاعات بلورشناسی، یعنی موقعیت اتمی نمونه را به دست آوریم. همچنین می‌توانیم شکل شیمیایی عناصر حاضر در نمونه را یا از طریق کمّی‌سازی عکس یا عکسبرداری طیفی با استفاده از طیف‌سنجی اتلاف انرژی (EELS) مشخص کنیم». مزیت دیگر آزمایش‌های STEM حساسیت آن به تک اتم‌هاست که به ما اجازه می‌دهد تا مستقیما تعداد اتم خوشه سیلیسیمی را بشماریم.
این اولین بار نیست که دانشمندان توانسته‌اند به خوشه‌های سیلیکونی در آزمایشگاه نگاه کنند؛ اما به نظر عضو گروه جیکوانگ لی (Jaekwang Lee) مشاهدات قبلی نامستقیم بودند. به علاوه، تعیین ساختار اتمی سه بعدی خوشه‌ها ممکن نبوده است.
یکی از مشاهدات مهمِ پژوهشگران ORNL این است که یکی از اتم‌های سیلیسیم در خوشه‌ها موقعیت خود را عوض کرد و بین دو مکان مشخص عقب و جلو رفت.
ایدروبو می‌گوید: «آن‌چه قبلا در عکسبرداری STEM دیده شده بود این بود که اتم ها به دلیل انرژی بالای پرتو الکترونی از نمونه به بیرون پرتاب می‌شدند اما ما اتم سیلیسیمی را نشانه‌گذاری کردیم که درون خوشه باقی می‌ماند و در آن حوالی می‌رقصد.»
همچنین با استفاده از محاسبات اصولی اولیه، گروه توانست انرژی‌های خوشه سیلیسیومی را هنگام برهمکنش با پرتو الکترونی و انرژی فراوان موردنیاز را برای رقص یک اتم سیلیسیم درون یک خوشه محاسبه کند.
ایدروبو می‌افزاید: «به دام انداختن خوشه‌های اتمی درون نانوحفره‌های گرافین می‌تواند کاربردهایی در حوزه‌هایی همچون الکترونیک، اپتوالکترونیک و کاتالیز (تجزیه) بیابد.»
مطالعه کاتالیزور
به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، آزمایش ساده‌ای که می‌توان در آینده انجام داد این است که گرافینی با اندازه حفره‌های مشخص بسازیم و سپس خوشه‌هایی با کارکردهای متفاوت را در آن تعبیه کنیم. برای مثال خوشه‌هایی که فعالیت کاتالیکی دارند در حفره‌های گرافین گیر بیفتند به نحوی که پژوهشگران بتوانند مستقیما ساختارهای اتمی و الکترونی را با استفاده از STEM مطالعه کنند.
این گروه به دنبال مورد دیگری نیز هست: چگونه برهمکنش بین خوشه‌ها و گرافین می‌تواند در توسعه فناوری‌های مبتنی بر گرافین نقش ایفا کند؟
ایدروبو می‌گوید: «از آن جا که وقتی خوشه‌های سیلیسیم در حفره‌های گرافین تعبیه می‌شوند پایدار هستند، تصمیم گرفته‌ایم که پژوهش را از ابتدا آغاز کنیم و اکنون در حال بررسی هستیم که کدام عنصر می‌تواند این حفره‌ها را پایدار کند.»
وی توضیح می‌دهد: «حفره‌های پایدار با قطرهای مشخص می‌توانند به عنوان صافی‌های مولکولی بسیار کارآمد و شاید به عنوان نمکزدای آب در آینده به کار روند.»