سوزن‌های کوانتومی: دانشمندان شکل جدیدی را در کوچکترین حالت طلا کشف کردند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، وقتی بیشتر مردم به طلا فکر می‌کنند، جواهرات یا گنج را تصور می‌کنند. با این حال، در مقیاس اتمی، طلا رفتاری دارد که برای علم بسیار ارزشمندتر از مد است.

 

محققان دانشگاه توکیو موفق شده‌اند اولین مراحل رشد نانوخوشه‌های طلا، ذراتی که تنها از چند ده اتم ساخته شده‌اند، را ثبت کنند. این چیزی است که دانشمندان سال‌هاست به دنبال آن هستند.

 

علاوه بر این، در این فرآیند، آنها به طور اتفاقی به شکل کاملاً جدیدی برخوردند - خوشه‌های بلند و سوزن‌مانندی که آنها را سوزن‌های کوانتومی طلا نامیدند.

 

به گفته محققان، این سوزن‌ها به شدت با نور در محدوده نزدیک به مادون قرمز برهمکنش دارند و می‌توانند روزی تصویربرداری پزشکی را بهبود بخشند و دستگاه‌هایی بسازند که نور را به طور مؤثرتری به انرژی تبدیل می‌کنند.

 

جعبه سیاه رشد نانوخوشه‌ها

 

نانوخوشه‌های طلا که کمتر از ۱۰۰ اتم دارند، معمولاً با دادن الکترون‌های اضافی به یون‌های طلا ایجاد می‌شوند، در حالی که مولکول‌های اطراف به نام لیگاند‌ها آنها را پایدار نگه می‌دارند. مشکل بزرگ کنترل است. این خوشه‌ها اغلب به طور غیرقابل پیش‌بینی رشد می‌کنند و تولید شکل‌ها یا اندازه‌های خاص را تقریباً غیرممکن می‌کنند.

 

محققان می‌دانند که ساختار، نحوه رفتار نانوخوشه‌ها را تعیین می‌کند، اما لحظه‌ای که ساختار برای اولین بار شروع به شکل‌گیری می‌کند، پنهان مانده است.

 

تاتسویا تسوکودا، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد شیمی در دانشگاه توکیو، گفت: «در طول سال‌های گذشته، تلاش‌های زیادی برای درک همبستگی بین ساختار و خواص فیزیکوشیمیایی نانوخوشه‌ها انجام شده است. با این حال، فرآیند تشکیل به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته می‌شود.»

 

برای حل این معما، محققان از یک ترفند غیرمتعارف استفاده کردند. آنها عمداً با تغییر شرایط واکنش عادی، روند رشد را کند کردند. این به آنها فرصتی نادر داد تا خوشه‌ها را در لحظات اولیه خود، قبل از اینکه به اشکال پایدارتری تبدیل شوند، منجمد کنند.

 

سپس آنها خوشه‌های به دام افتاده را با استفاده از پراش پرتو ایکس تک بلوری، تکنیکی که دقیقاً محل قرارگیری هر اتم را نشان می‌دهد، تجزیه و تحلیل کردند. نتایج غیرمنتظره بود. خوشه‌ها به جای تشکیل یکنواخت در همه جهات، به صورت ناهموار رشد کردند و در برخی جهات سریع‌تر از جهات دیگر بودند.

 

حتی شگفت‌انگیزتر اینکه، اتم‌ها خود را به شکل‌های کشیده‌ای که از واحد‌های تکرارشونده سه (تریمر) و چهار (تترامر) اتم‌های طلا ساخته شده بودند، آرایش دادند. از آنجایی که الکترون‌های درون این ساختار‌های باریک فقط می‌توانستند حالت‌های انرژی ثابتی را اشغال کنند، که از ویژگی‌های بارز رفتار کوانتومی است، تیم آنها را سوزن‌های کوانتومی نامید.

 

تسوکودا گفت: «تشکیل سوزن‌هایی با قاعده مثلثی از سه اتم طلا به جای یک خوشه تقریباً کروی، یک یافته غیرمنتظره و بسیار فراتر از تصور ما بود.»

 

اهمیت فرآیند تشکیل خوشه

 

نویسندگان این مطالعه با نقشه‌برداری از رشد گام به گام نانوخوشه‌ها، نگاهی اجمالی به چگونگی کنار هم قرار گرفتن بلوک‌های سازنده اتمی ارائه داده‌اند. این امر می‌تواند به توسعه روش‌های جدید برای ساخت خوشه‌هایی با اشکال و خواص دلخواه منجر شود، به جای اینکه رشد را به شانس واگذار کنیم.

 

علاوه بر این، خود سوزن‌های کوانتومی ممکن است به لطف توانایی‌شان در تعامل با نور نزدیک به مادون قرمز، کاربرد‌هایی در دنیای واقعی پیدا کنند، ویژگی‌ای که برای تصویربرداری زیست‌پزشکی واضح‌تر و تبدیل نور خورشید به انرژی قابل استفاده ارزشمند است.

 

با این حال، تولید این سوزن‌ها در تعداد زیاد و ایجاد تغییرات در آنها برای دستگاه‌های کاربردی، کار بیشتری می‌طلبد. نویسندگان این مطالعه اکنون قصد دارند روش‌های مصنوعی خود را دقیق‌تر تنظیم کنند و بررسی کنند که آیا می‌توان اشکال غیرمعمول دیگری را از طلا یا حتی فلزات مختلف ساخت یا خیر.

 

این مطالعه در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.