شرکت سنسوجنیک (SensoGenic) موفق به ساخت دستگاه قابل حملی شده که به افراد مبتلا به حساسیت غذایی کمک میکند تا مواد غذایی آلرژی زا را به سرعت تشخیص دهند.
فیلیپ وارن اندرسون یکی از بزرگترین اندیشمندانی است که در طی نیمه دوم قرن بیستم نقش مهمی در پرورش و هدایت رشد سریع فیزیک ماده چگال داشته است. او در روز دهم فروردین امسال (۲۹ مارچ ۲۰۲۰) در شهر پرینستون نیوجرسی دارفانی را وداع گفت.
او به طور بنیادی در طیف وسیعی از موضوعات سهم داشته است، از جمله این موضوعات میتوان به پادفرومغناطیس، ابرتبادل، ابررسانای بدفام، مسئله تکینگی پرتوی ایکس، جایگزیدگی، ابرشارگی در هلیوم-۳، شیشه اسپینی، مایع اسپینی کوانتومی، ممان موضعی در فات، بازبهنجارش Poor-man، ابررسانایی کوپراتی اشاره نمود. اکنون نام بسیاری از آن مفاهیم با نام او عجین شده است. او به همراه نویل مات و جان فنولک جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۷ را برای کار بر روی بررسی نظری بنیادی ساختار الکترونی دستگاههای مغناطیسی و نامنظم» دریافت نمود.
اندرسون در ۲۱ آذر ۱۳۰۲ (۱۳ دسامبر ۱۹۲۳) در اوربانای ایلینوی متولد شد. او پس انجام خدمت در آزمایشگاه تحقیقاتی وابسته به نیروی دریایی در طول جنگ جهانی دوم، دکترای خود را در سال ۱۳۲۸ شمسی (۱۹۴۹ میلادی) از دانشگاه هاروارد، و با کار در گروه فنولک، دریافت نمود. در همین سال او به آزمایشگاههای بل، و گروهی از باهوشترین فیزیکدانان آن زمان، که شامل برند ماتیاس، پیتر ولف، رابرت شولمن، ویلیام شاکلی، و چار کیتل بود، پیوست. تأثیر قوی همزمانی حضور این افراد در سرمایهگذاری روی پژوهش بنیادی اثر به سزایی بر این آزمایشگاهها تا پایان سده گذاشت. اندرسون پیش از پیوستن به اعضای هیأت علمی دانشگاه پرینستون، از سال ۱۳۴۶ تا ۱۳۵۴ شمسی (۱۹۶۷ تا ۱۹۷۵ میلادی) به صورت پاره وقت در دانشگاه کمبریج مشغول به کار بود. او پس از بازنشستگی از آزمایشگاههای بل در سال ۱۳۶۳ شمسی (۱۹۸۴ میلادی)، استاد تمام وقت شد و در سال ۱۳۷۵ شمسی (۱۹۹۶ میلادی) به بازنشستگی از این حرفه نایل گشت.
شاید به جرأت میتوان گفت که اندرسون به سبب پیشبینی خود موسوم به جایگزیدگی اندرسون در سال ۱۹۵۸، مبنی بر این که بینظمی نسبتاً قوی میتواند فات را به نارسانا تبدیل کند، به شهرت رسید. پیش از این، نظر غالب این بود که امواج الکترونی در فات گسترش دارند. اندرسون نشان داد که بینظمی در دمای پایین، میتواند موجب جایگزیده شدن امواج در فضا و توقف جریان رسانندگی شوند.
اندرسون در سالهای دهههای ۱۹۵۰و ۱۹۶۰ نشان داد که چگونه ترکیب مکانیک کوانتومی و دافعه قوی بین الکترونها سبب میشود که اسپینهای الکترونی، ممانهای موضعی تشکیل دهند؛ ذکاوت او موجب گسترش نظریه جدید مغناطیس شد. پس از آن که جان باردین، لئون کوپر و جی رابرت شریفر نظریه زوج الکترونهای خود در ابررساناها را در ۱۹۵۷ منتشر نمودند، اندرسون مبدل به یکی از نویسندگان اصلی در این زمینه شد. او اولین کسی بود که از روش مکانیک کوانتومی به اهمیت فاز تابع موج ابررسانایی و چگونگی ارتباط آن به تعداد زوجهای کوپر پی برد.
در اصل، افت و خیزهای فاز منجر به یک مد جمعی برانگیختگیهای بیگاف میشود، که مثالی است از نظریه گلدستون؛ چنین برانگیختگیهایی در ابرشارههای طبیعی و نه در ابررساناها مشاهده میشوند. اندرسون فهمید که برهمکنش زوجهای کوپر با میدان الکترومغناطیسی، مد مذبور را به یک بسامد متناهی، که با مد پلاسما پیوند میخورد، تقویت میکند. او در سال ۱۹۶۲ پیشنهاد کرد که سازوکار مذکور میتواند بنبستی که در مواجهه با نظریههای میدان یکپارچه مبتنی بر شکست تقارن بوجود آمده بود – موسوم به مسئله ذرات گلدستون بیجرم ناخواسته- را مرتفع مینماید. دو سال بعد پیتر هیگز و دیگران با استفاده از مسیرهای صوریتر به همان نتایجی رسیدند. هیگز در متن سخنرانی نوبل خود نوشت: دقیقاً همان طور که اندرسون پیشنهاد داده بود، مد بیجرم گلدستون تبدیل به یک قطبش طولی یک فوتون اسپین-۱ جرمدارمیشود». امروزه سازوکار اندرسون-هیگز یک مبنای کلیدی در هر دو زمینه فیزیک ذرات و ماده چگال است.
یک سال پس از کشف ابرررسانایی دمای بالا در کوپراتها در سال ۱۹۸۶، اندرسون مقالهای بسیار تأثیرگذار در مجله ساینس منتشر کرد، که در آن اشاره کرد که راه حل فیزیکی وارد کردن حاملهای بار (حفرهها») به حالت عایقی است که از دافعه قوی الکترون-الکترون حاصل شده. او یک مقاله در ۱۹۷۳ نوشت که در آن مایعهای اسپینی کوانتومی را معرفی نمود، حالتی که در آن ممانهای مغناطیسی به علت افتوخیز کوانتومی نمیتوانند نظم بلندبرد داشته باشند و به جای آن حالتی تشکیل میدهند که او از آن به عنوان پیوند ظرفیت تشدیدی» (RVB) تعبیر نمود. او پیشنهاد کرد که با اضافه شدن حفرهها به حالت ذکر شده، یک ماده کوپراتی تبدیل به یک ابررسانا میشود.
این نوآوریهای انقلابی با مقاومتی شدید از طرف جامعه علمی مواجه شد. اگر چه این سازوکار ویژه که او برای ابررسانایی پیشنهاد کرده بود جدالبرانگیز باقی ماند، بسیاری از ایدههایی که در مقاله ۱۹۸۷ وی پیشنهاد شده بود، از جمله بیان این که حالت پایه غالب در دستگاه دافعهای قوی ابررسانایی است، مورد وثوق وسیع قرار گرفت. حالت RVB مثال نوعی عمده از یک مایع اسپینی، و در حال حاضر یکی از زمینههای غنی پژوهشی است.
علاوه بر این، اندرسون پیشنهاد کرد که برانگیختگیهای یک مایع اسپینی کوانتومی به سان الکترونهایی رفتار میکنند که علیرغم از دست دادن بار، اسپین خود را حفظ نمودهاند. اولین مثال کسریشدگی» چه در میان مدلهای حلپذیر دقیق و چه در مواد واقعی، مصداق پیدا کرد. زمان گواهی خواهد داد، که شاید اثر مایع اسپینی اندرسون به عنوان عمیقترین و پیشگویانهترین موضوع، به خوبی در یادها باقی بماند.
اندرسون در سال ۱۹۷۲در مقالهای با عنوان بیش دیگرگونه است» با نگاهی دور از سادهانگاری به مسئله، نشان داد که هر لایه از طبیعت تا ژرفترین حد میکروسکوپی لایق بررسی بنیادی است. انتظار نمیرود آن قوانین کمترین توضیحی برای گونههای وسیعی از رفتار پیچیده و جذاب دستگاههای ماکروسکوپی، مثل ابررسانایی، آشوب، و سایر پدیدههای نوظهور فراهم آورند. این نقطه نظر عمیقاً بر فیزیک ماده چگال و سایر زمینههای علوم تأثیر گذاشت.
اندرسون علاوه بر جایزه نوبل، در سال ۱۹۶۴ جایزه انجمن فیزیک امریکا تحت عنوان جایزه اولیویه ای باکلی، و در سال ۱۹۸۲ مدال ملی علوم را از آن خود نمود. وی در طول زندگی خود به دنبال یک فرصت یک ساله در ژاپن در سال ۱۹۵۳-۵۴، علاقه به بازی Go (بازی استراتژیک روی تخته) را حفظ نموده و در آن به رتبه استاد دان یک دست یافت. نی کی-این، انجمن Go در ژاپن، در سال ۲۰۰۷ جایزه مادامالعمر خود را به وی اعطا نمود.
ویلیام اف برینکمن
ان پهوان اونگ
دانشگاه پرینستون
پرینستون، نیوجرسی
پاتریک ا لی
انستتیو صنعتی ماساچوست (MIT)
کمبریج
Physics Today 73, 6, 59 (2020);
)JUNE 2020 | PHYSICS TODAY(
شرکت سنسوجنیک (SensoGenic) موفق به ساخت دستگاه قابل حملی شده که به افراد مبتلا به حساسیت غذایی کمک میکند تا مواد غذایی آلرژی زا را به سرعت تشخیص دهند.
برچسبهای مواد غذایی، اغلب هشدارهای آلرژی گمراه کننده دارند. این موضوع باعث شده که این برچسبها از نظر خریداران دارای آلرژی غذایی غیرقابل اطمینان شوند. دستگاه قابلحمل شرکت سنسوجنیک میتواند مواد غذایی آلرژیزا را تشخیص داده و جان افراد را نجات دهد. این دستگاه جدید به مصرف کنندگان آگاه و هوشیار اجازه میدهد تا خودشان غذا را کنترل کنند و مطمئن شوند که مواد تشکیلدهنده غذا برای مصرف آنها بیخطر و ایمن است.
آلرژیهای غذایی در سراسر جهان در حال افزایش است و به یک مشکل فزاینده، به ویژه در کشورهای توسعهیافته تبدیل شده است. گزارش مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری ایالاتمتحده نشان میدهد که شیوع آلرژی غذایی در کودکان بین سالهای ۱۹۹۷ تا ۲۰۱۱ به میران ۵۰ درصد افزایش یافته است. به طور خاص، آلرژی بادامزمینی خطرناک است و بین سالهای ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۸ شیوع آلرژی بادامزمینی یا آجیل درختی (tree nut) در میان کودکان ایالاتمتحده سه برابر شده است.
شرکت سنسوجنیک حسگر زیستی مواد غذایی آلرژیزا را به صورت قابلحمل، دستی و آسان برای استفاده ایجاد کرده است. این محصول مبتنی بر دانش نانو فناوری پیشرفته و دارای ثبت اختراع برای اندازهگیری دقیق پروتئین موردنظر است.
این دستگاه دارای پدهای یکبار مصرف است که مقدار کمی از غذا روی آن قرار میگیرد. سپس دستگاه با استفاده از سلو، که به ماده آلرژیزا بالقوه متصل شده و امکان تشخیص را فراهم میسازد، نمونه را آنالیز میکند. این دستگاه در مدت سه دقیقه به یک تلفن هوشمند که با آن جفت (pair) شده است، پاسخ میدهد.
این محصول هنوز در مرحله توسعه است و شرکت در حال حاضر مشغول ساخت نخستین نمونه اولیه کاربردی است. قرار است تا سال ۲۰۲۲ این طرح در ایالاتمتحده به تولید انبوه برسد. قیمت خرده فروشی برنامهریزیشده برای این دستگاه ۱۹۹ دلار است و هر کدام از پدهای تست یکبار مصرف اختصاصی نیز ۹۵ سنت هزینه خواهد داشت.
ولتاژی که از خمشدن مادهای انعطافپذیر تولید میشود معمولاً کوچک است اما یک حقهی تازه این اثر را به شکل قابل ملاحظهای افزایش داده است.
مواد فلکسوالکتریک (Flexoelectric ) وقتی خم میشوند ولتاژی را ایجاد میکنند؛ ویژگی که میتواند در مهندسی حسگرهای ظریف یا در قطعات تولید انرژی مثل لباسهایی که برای ایجاد الکتریسیته در هنگام راه رفتن ساخته میشوند، مفید باشد. اکنون پژوهشگران نشان دادهاند که اضافهکردن یک لایهی بار به وسط یک میلهی پلیمریِ انعطافپذیر میتواند این اثر را تا ۱۰۰ برابر ارتقاء دهد. به گفتهی این تیمِ پژوهشی میتوان با توسعهی بیشتر، از این اثر در قطعات واقعی در ۵ سال آتی استفاده کرد.
بسیاری از مواد معمولی مثل بلورها و پلیمرها از خود اثر فلکسوالکتریک نشان میدهند. خمکردن یک ماده سبب میشود تا هرلایهی اتمی به مقدار متفاوتی کشیده شده و لایهی بیرونی آن بیشتر کشیده شود. این تغییر در کشیدگی (گرادیان تنشی) عدمتقارنی را در موقعیت یونهای ماده ایجاد میکند و میتواند از خنثیشدن کامل بارهای مثبت و منفی جلوگیری کند یا به عبارت دیگر میتواند موجب قطبیدگی ماده شود. این قطبیدگی به میدان الکتریکی خالص و در نتیجه به یک ولتاژ منجر میشوند.
سرامیکها قویترین اثر را نشان می دهند که به صورت ضریب فلکسوالکتریک بالا بازتاب پیدا کرده است؛ پارامتری که نشان میدهد چه مقدار ولتاژ به ازای خمشدگی معینی تولید میشود. با این حال سرامیکها شکننده بوده و حتی به ازای تغییرات کوچک شکسته میشوند. بنابراین پژوهشگران در تلاش بودهاند تا از این اثر در قطعات عملی که عمدتاً بر لایههای نازکی از ضخامتهای نانو تمرکز داشته بهره برداری کنند؛ موادی که خمکردن آنها آسانتر از نمونههای ضخیم است.
برای تولید این اثر در نمونههای بزرگمقیاس میتوان از مواد انعطافپذیرتری مثل پلیمرها استفاده کرد، هرچند اثر فلکسوالکتریکِ ذاتی آنها کوچک است. اما اکنون تیمی از محققان از دانشگاه خیان جیانتونگِ (Xi'an Jiaotong ) چین نشان دادهاند که چگونه میتوان این اثر را در یک میلهی پلیمری، صرفاً با جاسازی یک لایهی بار الکتریکی دائمی در داخل پلیمر، ارتقاء داد.
توان باتری ناشی از خمشدگی. اضافه کردن یک لایهی بار به لاستیک سیلیی به طور قابل ملاحظهای قابلیت آن را برا تولید ولتاژی در پاسخ به این خمشدگی افزایش میدهد که میتواند بزودی به ساخت قطعات عملی منجر شود. خمکردن یک ماده خطوط میدان الکتریکی را در نیمهی بالایی فشرده کرده و میدان الکتریکی را در آنجا افزایش میدهد (پیکانها) درحالیکه طوط میدان در نیمهی پایینی گسترده شده و کاهش مییابند.
کوان دنگ (Qian Deng) رهبر این تیم پژوهشی و همکارانش با یک میله به درازای ۱۰ سانتیمتر از پلیدیمتیلسیلوکسان (PDMS که نوعی لاستیک سیلیی است) و به پهنای ۱۵ میلیمتر و ضخامت ۱۰ میلیمتر آزمایش خود را به انجام رسانیدهاند. این تیم لایهی نازکی از پلیمر باردار منفی را درون صفحهی مرکزی در طول میله جاسازی کردهاند. این لایهی بار یک میدان الکتریکی تولید میکند که ولتاژی را در سطوح بالا و پایین صفحهی مرکزی ایجاد میکند.
سپس محققان ضریب فلکسوالکتریک را به ازای مقادیر متفاوتی از بارِ جاسازی شده اندازه گرفتهاند. در هر آزمایش که میله به شکل افقی از هر دو انتها پشتیبانی میشود، نیروی روبهپایین کنترلشدهای را به مرکز اعمال کردهاند تا میله تغییر شکل دهد و سپس ولتاژ سطح تغییر یافته راثبت کردهاند.
ضریب فلکسوالکتریک، متناسب با بار جاسازیشده رشد کرده است. با باری که برای تولید ۵ کیلووات بر روی سطح پلیمرکافی بوده، این ضریب صدبرابر بزرگتر از PDMS بدون هیچ بار جاسازی شده بوده است. به گفتهی این محققان این فناوری کارگر افتاده چون وقتی میله خم میشود، خطوط میدان عمودی ناشی از لایهی بار گستردهتر شده است. این خطوط زیر صفحهی مرکزی توسعه یافته و در بالای آن متراکم میشوند. این عدمتقارن به قطبشی قوی منجر میشود که به عنوان ولتاژی از بالا به پایین در طول میله قابل اندازهگیری است. نتایج این آزمایش با محاسبات تیم توافق خوبی دارد.
به گفتهی دنگ: ایدهی پایه آن است که بار، موجب ایجاد یک میدان الکتریکی اولیه در ماده میشود در هر دو سو متقارن است. خمکردن این تقارن را شکسته و یک قطبش الکتریکی خالص در طول لایه وجود خواهد داشت».
گوستاوو کاتالان (Gustau Catalán) از موسسهی علوم نانو و نانوفناوری در بارسلونای اسپانیا که در زمینهی علوم نانو تخصص دارد، میگوید: اثری که این پژوهشگران آن را مشاهده کردهاند یک اثر اساسی است». به زعم او این نتایج پیامدهای گستردهای میتواند داشته باشد. این کار درخواستی فراتر از فلکسوالکتریک دارد و میتواند موجب برانگیختهشدن پژوهشهای بسیاری باشد جهت جستوجوی اثرات مشابه در سیستمهایی که بدواً به منظور کاوش اثر فلکسوالکتریک ساخته نشدهاند».
دنگ و همکارانش معتقدند بزودی این اثر کاربردهایی را در قطعات عملی خواهند یافت. اگرچه بر اساس گفتهی خین ون عضوی از این تیم، یک چالش اساسی که باید آموخته شود آن است که چگونه میتوان از اتلاف بارهای جاسازیشده در این لایه جلوگیری کرد چون اینب بارها به آرامی نشت پیدا میکنند.
ون در مورد استفادههای تجاری انتظار دارد این قطعات عملی در طی پنج سال آینده» گسترهی وسیعی از متخصصانی را به همراه داشته باشد که در این حوزه وارد میشوند. به پیشنهاد وی این اثر در ساخت قطعاتی همچون حسگرها، قطعات دروکنندهی انرژی و محرکها مفید خواهد بود.
این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.
منبع:
شبیهسازیها نشان داده است که قطراتِ در ابعاد نانو به شکلی زیپمانند به واسطهی امواج در ابعاد مولکولی با هم ترکیب میشوند.
قطرات کوچک مایع، از ابرها گرفته تا چاپگرهای سهبعدی طی هزاران فرآیند برای تشکیل قطرات بزرگتر با هم ترکیب میشوند. با این وجود دانشمندان کاملاً نمیدانند که چه چیزی باعث این فرآیندها میشود. اکنون سهاری پروماناس (Sreehari Perumanath) و همکارانش از دانشگاه ادینبورگ در انگلستان شبیهسازیهایی را بر روی نانوقطرات به انجام رسانیده و نشان دادهاند که حرکتی زیپمانند از امواج، در طول سطح یک قطره میتواند عامل این فرآیند باشد. به گفتهی این تیم، با احتساب این فرآیندِ ادغام میتوان پیشبینیهای دقیقتری از طوفانها فراهم کرد و برای مثال کنترل دقیقتری از جوهرها در فناوریهای چاپ بدست آورد.
این تیم دو قطرهی خاصِ آب با قطر چند ده نانومتر را شبیهسازی کرده و مشاهده کردهاند که امواج کوچک (به درازای تنها یک یا دو مولکول) در سرتاسر قطره مواج میشوند. این امواج به واسطهی حرکت حرارتی مولکولهای آب القا میشود. با آوردن این قطرات به نزدیکی هم طوریکه قلهی دو موجِ مخالف به حدکافی بهم نزدیک باشد، این تیم دریافتهاند که قطرات شروع به ادغام میکنند.
این ادغام زمانی شروع میشود که دو موج همدیگر را ملاقات کرده و پلی را ایجاد کنند تا سطح قطرات بهم نزدیکتر شوند. سپس پلهای دیگر در مجاورت آن تشکیل میشوند. این ترکیبشدن با پهنشدن پلها و کشیدهشدن دو قطره به سوی هم بحالتی که شبیه به بسته شدن یک زیپ است ادامه مییابد. این فرآیند وقتی پلها پهنشده و گستردهتر و آمیخته میشوند به اتمام میرسد.
پلهای مایع در ابعاد میکرو در آزمایشهایی شامل قطرات بزرگتر و قطراتی که بهم ملحق شده، دیده شده است. اما اینکه این فرآیندها چگونه در نانوقطرهها آغاز میشود نامشخص بوده است، چون مشاهدهی امواج مولکولی و پلهای کوچک با استفاده از آزمایشهای موجود غیرممکن است. این تیم میگوید که یافتههای آنها میتواند چگونگیِ شروع این ترکیب در قطرههای بزرگتر را توضیح دهد.
این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
دربارهی نویسنده:
کاترین رایت ویراستار مجلهی فیزیک است.
منبع:
سوسپانسیونی از ذرات مس شکاف اتصالات الکترونیکی را ترمیم کرده و راهی برای بهبود مدارهای صدمهدیده فراهم میکند.
الکترونیک مدرن به شکل فزایندهای در حال سبکشدن و بادوام شدن است، اما ساختار آن صلب است. الکترونیک آینده از نیمرساناهای نازک و زیرلایههای انعطافپذیر استفاده خواهد کرد تا کاربردهای وسیعی شامل قطعات تشخیصی پوشیدنی پزشکی و نمایشگرهای رولی استفاده کرد. با این حال، بیناتصالاتی (سیمهای نازکی که گیتهای منطقی و دیگر مولفههای مداری را متصل میکند) وقتی خم میشوند قابلیت شکستن پیدا میکنند؛ چیزی که باعث میشوند الکترونیک انعطافپذیر در شکل حاضر غیر قابل اعتماد باشند. آمیت کومور (Amit Kumar) و همکارانش در یک آزمایش جدید در موسسهی علوم هندوستان و دانشگاه کمبریج، فناوری جدیدی را به منظور الکترونیک خود-ترمیمی به نمایش گذاشتهاند. این روش برخلاف فناوریهای خود-ترمیمی گذشته به مواد نادر یا افزودن مدار پیچیده نیاز ندارد.
این تیم میکروکرههایی را با شعاع ۵ میکرون در روغن سیلی (یک سیال عایق) معلق کردهاند. سپس یک اتصال الکتریکی باز را در این مخلوط غوطهور ساختهاند تا یک مدار شکسته شده را شبیهسازی کنند. این پژوهشگران اختلاف پتانسیلی را در این طول شکاف اعمال کردهاند؛ چیزیکه برای اتصالات شکستهشده در یک مدار فعال انتظار میرود. این اختلاف پتانسیل یک میدان الکتریکی ایجاد کرده و کرههای مسی را جذب میکند. این کرهها در طول روغن سیلی حرکت میکنند تا زنجیرهای خوشهای از میکروکرههایی که به شکلی سست بهم پیوند خوردهاند را تشکیل دهند و به این شکل، شکاف میان اتصال را پل میزنند. گرمایی که از این جریان ناشی شده و از این زنجیرهها شارش پیدا میکند، آنها را پایدار میسازد و اتصالات شبهسیمی پایدارتری ایجاد میکند. برخلاف دیگر آزمایشهای خود-ترمیمی، این کرههای مسی هم انعطافپدیرند و هم قابل کشش هستند.
برای آنکه بتوان از این فناوری در کاربردهای انعطافپذیر استفاده کرد، محققان لازم است تا راههایی برای استفاده از ذرات کوچکترِ مس جهت ترمیم شکافهای مداری کوچکتر پیدا کرده، سوسپانسیونهای سیلی-مس را به درون قطعات واقعی وارد کنند و تداخل مابین سیمهای تشکیل شده توسط این ذرات رسانا در مدار را حذف کنند.
این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.
مولفههایی که تنها چند نانومتر پهنا دارند، بخش اصلی قطعات ارتباطی نسل آینده خواهند بود. در پژوهش جدید، از نور مرئی توسعهیافتهای برای جاگذاری چنان اشیایی با دقت کمتر از یک آنگستروم استفاده شده است. این روش بر اساس ضربهزدن به جسم نانو با نور لیزری است که الگوی قطبش دقیقی داشته و سپس به مشاهدهی نور پراکنده شده میپردازد. فراتر از نانوفناوری، این تکنیک میتواند به ابزاری در سیستمهای پایدارسازِ موقعیت در میکروسکوپها و فناوریهای مرتبط منجر شود.
این مطلب کاملاً معقول است که اگر از نور برای اندازهگیری موقعیت چیزی استفاده کنیم، طول موج نور یک محدودیت مهم بشمار میرود. اما استثنائاتی وجود دارد. دو سال پیش تیمی به رهبری پیتر بانزر (Peter Banzer ) از موسسه ماکس پلانک برای علوم نور (MPL) در آلمان گزارشی ارائه کرده بودند که نشان میداد اعضای این تیم توانستهاند از نور مرئی با قطبش مشخصی استفاده کنند تا جابجاییهای در مقیاس آنگستروم را برای کرهای ۱۰۰ نانومتری اندازهگیری کنند، حتی اگر طول موج نور چند صد نانومتر باشد [1]. آزمایش آنها بر مبنای نظریهای است که در دهه 1980 توسط میلتون کرکر (Milton Kerker) در کالج تکنولوژی کلارکسون در نیویورک توسعه یافته بود.
کرکر نشان داده است که پراکندگی نور معمولی با قطبش خطی از ذرهای که بسیار کوچکتر از طول موج است، میتواند اثرات قابل توجه و قابل مشاهدهای را ایجاد کند. او اندرکنش اجزای الکتریکی و مغناطیسی یک پرتو نور با یک کره کوچک و غیر مغناطیسی ساخته شده از مادهای که به طور مشابه به میدانهای مغناطیسی و الکتریکی پاسخ می دهد، را بررسی کرده است. وی دریافت که نور میتواند طبق الگویی بسیار نامتقارن پراکنده شود، به عنوان مثال، تمامی نور رو به جلو حرکت کرده و چیزی به عقب بازنگردد. بنزر و همکارانش با تکیه بر ایدههای کرکر ایدهی جدیدی را مطرح کردهاند: پرتو لیزری آنها بشدت متمرکز شده و به طور شعاعی قطبی شده است، به این معنی که خطوط میدان الکتریکی در جهت شعاعی و در جهت سطح مقطع پرتو است؛ مثل میلههای یک چرخ. آنها در آزمایشهای اولیه نشان دادند که الگوی پراکندگی نامتقارنِ عمود بر پرتو (پراکندگی کرکر عرضی) با جابجاییهای کوچک نانوذره تغییر می کند [1].
این تیم در آخرین کار خود، یک مدل نظری را توسعه دادهاند که به آنها این اجازه را میدهد تا بهترین الگوی طول موج و قطبش را برای این اثر انتخاب کرده و دقت زیر آنگسترومی را به اثبات برسانند. در این آزمایش، آنها پرتو لیزری را بهشدت بر روی یک کرهی سیلیی با قطر 156 نانومتر که با پوسته نازک دی اکسید سیلی پوشید شده است، متمرکز کردند. سپس از یک دوربین CCD برای تصویرسازی از الگوی شدت نور استفاده کردهاند که در اثر کره، به ناحیهای به شکل حلقه تغییر مسیر داده است. وقتی که آنها کره را چند نانومتر به دور از مرکز حرکت دادهاند، الگوی متقارن دایروی، نامتقارن شده است. این عدم تقارن با استفاده از طول موج حدود 640 نانومتر برای نور قطبیدهی شعاعی و در حدود 545 نانومتر برای قطبش زاویهای (که در آن خطوط میدان الکتریکی دایرههایی را در سطح مقطع پرتو تشکیل میدهند) به بیشینه مقدار خود میرسد، که با پیشبینیهای نظری تیم همخوانی دارد. آنها همچنین دریافتند که استفاده از قطبش زاویهای این فناوری را نسبت به جابجایی با قطبش شعاعی حساستر میسازد.
خطکش نانوذره. در این فناوریِ اندازهگیری، نور زرد لیزر از سمت بالا تابیده میشود و بر روی نانوذرهی کروی متمرکز میشود. قطبش این نور در این مثال زاویهای است، یعنی بردارهای میدان الکتریکی (فلشها) دایرهای را تشکیل میدهند که حول پرتو قرار میگیرد. اینجا ذره در سمت راست مرکز قرار دارد که به پراکندگی عرضی نامتقارن (سطوح بنفشرنگ) منجر میشود که در سمت راست تصویر قویتر است. تحلیل الگوی شدت پراکندگی، اندازهای از فاصلهی ذره از مرکز پرتو را فراهم میکند.
برای مطالعهی محدودیتهای این فناوری، این تیم ذره را در گامهای 2 نانومتری و در سطح 40 نانومتر در 40 نانومتری (حول مرکز پرتو) حرکت داده و به مشاهدهی تغییرات الگوی پراکندگی نور پرداختهاند. با این حال، دقت اندازهگیری موقعیت موردنظر، کمتر از یک آنگستروم، بسیار بهتر از دقت قطعهی موقعیت یاب آنها بود. بعلاوه، این آزمایش در دمای اتاق انجام شد که موجب ایجاد جرقه حرارتی تا 4 نانومتر میشود.
راه حل این مشکلات، انجام اندازهگیریهای زیاد بود تا بتوان جفتالگوهای شدت پراکندگی در مکانهای مختلف را با تفریق یک تصویر از تصویر دیگر، مقایسه کرد. تعداد بسیار زیادی از پیکسلها در هر تصویر، همراه با تعداد زیادی از تصاویر، دادههای کافی برای اندازهگیری اختلاف در موقعیت ذرات (بین یک جفت تصویر) به کوچکیِ سه آنگستروم، با دقت اندازهگیری 0.6 آنگستروم را فراهم میکند.
به گفتهی مارتین نایبابوئر (Martin Neugebauer) عضو تیم MPL، حتی دستیابی به دقت بالاتر نیز امکانپذیر است. ما فقط از یک دوربین عادی CCD استفاده کردیم؛ اگر یک آشکارساز بسیار خوب و نور زیادی داشته باشید، می توانید دقت را بالا برده و حتی جابجاییهای کوچکتری را نیز اندازهگیری کنید».
لورنزو مروتیچی (Lorenzo Marrucci) فیزیکدان اپتیک از دانشگاه ناپل در فدریکوی دوم، میگوید: این روشِ جدید نمونهای درخشان از تعیین موقعیت با دقت کوچکتر از طول موج نور است. وی تحت تاثیر توانایی این سیستم برای ردیابی حرکت سریع یک ذره قرار گرفته است. به گفته او: ممکن است برای این سیستم کاربردهای بسیار زیادی در زمینههای درحال توسعهی نانومکانیک وجود داشته باشد».
این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
منبع:
بارثلات و نین هویس با بررسی ۳۰۰ نوع برگ گیاهی به این نتیجه رسیدند که سطوح خودتمیز شونده موم و میکرو و نانوساختار آبگریز (هیدروفوب) اساس چنین عملکردی می باشد. این رفتار خودتمیز شوندگی که فوق آبگریزی نامیده می شود در بسیاری از کاربردهای جدید مثل رنگ های ضدلک و شیروانی ها و همچنین پوشش پارچه ها و سطوح دیگر که باید خشک بماند و غبارزدایی کند، قابل استفاده است. دانشمندان از این اثر برای کاربردهای تراشه های کوچک آزمایشگاهی استفاده کرده اند. در این ابزارها، مواد آبدوست و آبگریز می توانند برای کنترل مایعات درون اجزای مجاری میکرومتری استفاده شوند. هر چند خواص خودتمیز شوندگی مختص برگ های لوتوس تعریف شده، ولی در سایر موجودات هم این اثر مشاهده می شود [۲].
۲-قابلیت فوق تر شوندگی
کشف اثر نیلوفر آبی، در ابتدا تلاشی بود که برای فهم توان خودتمیزشوندگی سطوح مومسان با ساختارهای میکروسکوپی و نانویی انجام گرفت. اما هم اکنون با تحقیق در این موضوع، علمی کاملاً جدید در زمینهیترشوندگی، خودتمیزشوندگی و گنایی ایجاد شده است. محققان دریافته اند که راههای بسیاری برای ساخت سطوح مطلوب فوق آبگریز و آبدوست (Superhydrophilic) وجود دارد. خاصیت فوق آبدوستی به این معنا نیست که آب به سرعت جذب سطح شود؛ معنای فنی این اصطلاح، کاهش زاویه تماس قطره آب با سطح می باشد. عامل اصلی در ظهور پدیدهی فوق آبدوستی، ماده ی معدنی دیاکسید تیتانیومِ یا تیتانیاست. روند مطرح شدن تیتانیا از بیش از چهار دهه قبل و با این خصوصیت آغاز شد که این ماده چیزی برای تر شدن ندارد و تحت تابش پرتوی فرابفش، میتواند آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند. تجزیهی آب به کمک نور، یک هدف تحقیقاتی بزرگ محسوب میشود [۳].
مطالعات مذکور نشان داد که لایههای نازک تیتانیا (با ضخامتی در محدودهی چند نانومتر تا چند میکرون) کارآمدتر از ذرات بزرگتر هستند. بهرغم تضاد این پدیده با اثر دافعهی آب در برگ نیلوفر آبی، ابرآبدوستیِ تیتانیا نیز دارای مزایایی برای خودتمیزشوندگی بودهاست؛ به این شکل که آب تمایل دارد تا بر روی کل سطح پخش شود و پس از آن لایهای تشکیل میشود که میتواند از طریق جاری شدن آب، آلودگی را حذف کند. این سطح مانع از مه گرفتگی نیز میگردد، زیرا آب متراکم به جای تبدیل شدن به هزاران قطرهی بسیار کوچک (که ایجادکنندهی مه هستند)، بر روی سطح پخش میشود. رفتار فوتوکاتالیستی تیتانیا با تجزیهی مواد آلی، کشتن باکتریها، ویژگی گنایی و ضد عفونیکنندگی را نیز به قابلیت خودتمیزشوندگی مواد پوششدار مذکور میافزاید [۳].
مواد ملهم از نیلوفر آبی و لایههای نازک تیتانیا را میتوان بهعنوان دو قطب متضاد تلقی کرد که ندرتاً در دنیای روزمرهی ما یافت میشوند. اما سوسک صحرای نامیب این دو اثر را توام با هم استفاده می کند. این کار برای تامین مقدار کم آب مورد نیاز برای زنده ماندن انجام می شود [۳].
صحرای نامیب بینهایت خشن و نامهربان است؛ زیرا دمای طول روز در این صحرا میتواند به ۵۰ درجهی سانتیگراد برسد و بارش باران در آنجا بسیار کم است و میتوان گفت تقریباً تنها منبع رطوبت، مههای غلیظ صبحگاهی هستند که آن ها نیز معمولاً با یک نسیم بسیار مرطوب میوزند [۳].
منابـــع و مراجــــع
۱٫ K. R. Sharma, Nanostructuring Operations in Nanoscale Science and Engineering, Mc-Grow hill, 2010, pg8.
۲٫L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.pp 57-67.
۳٫ ابوالقاسم مصیبی، مواد خودتمیزشونده، ماهنامه فناوری نانو، سال هشتم، اردیبهشت ۱۳۸۸، شماره ۲، پیاپی ۱۳۹٫
۴٫ J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
۵٫D. Soan, Novel Applications of Nano-Technology, Nano-Whiskers, ۲۰۰۴٫
۶٫R. Booker, Nanotechnology for Dummies, Wiley, 2006, pg284.
۷٫ NatureTech Technology, video, part 1&2&3
۸٫H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
۹٫ Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence, Nature 414, 33-34, 2001.
۱۰٫Irie et al Phys. Chem. Chem. Phys., 2008.
۱۱٫A. George, Advances in Biomimetics, Intech, 2011. Pg147.
دنیای فیزیک با تلاش فیزیکدانان زیادی دستخوش تغییرات شد که در این زمینه فیزیکدانان زن نقش مهمی در تحول آن ایفا کردند.
1-هرتا ایرتون، فیزیکدان و ریاضیدان بریتانیایی
این فیزیکدان در سال 54 و در پورتسی، همشر به دنیا آمد و در سال 1923 درگذشت.
او اولین زنی بود که نامزد عضویت در انجمن رویال بریتانیا شد، این در حالی است که هیچ زنی نمیتوانست در این انجمن انتخاب شود.
هرتا ایرتون در دانشکده گرتون، دانشگاه کمبریج مشغول به تحصیل در رشته ریاضیات شد.
وی در کلاسهای فیزیک دانشکده فنی فینزبری به استادی پروفسور ویلیام ایرتون» شرکت و بعدها با او ازدواج کرد.
هرتا در انجام آزمایشهای فیزیکی و الکتریسیته به پروفسور کمک میکرد و در زمینه قوس الکتریکی (حالتی از تخلیه الکتریکی در هوا یا سایر محیطهایی معمولاً نارسانا) تخصص پیدا کرد.
او چندین مقاله از تحقیقات خود منتشر کرد و در سال 99 به عنوان اولین عضو زن در موسسه مهندسان انتخاب و در سال 1902 نیز اولین زن نامزد عضویت در انجمن رویال لندن شد.
2-ویرا روبین، منجم آمریکایی
ویرا روبین در سال 1928 در شهر فیلادلفیا در پنسیلوانیا به دنیا آمد و در سال 2016 درگذشت.
او در دانشکده واسار و دانشگاه کورنل تحصیلات خود را به پایان رساند و از اخترشناسان پیشتاز در آمریکا و مدافع ن دانشمند بود.
او بر روی تایید وجود نوعی ماده نامرئی به نام ماده تاریک کار میکرد. همچنین در سال 1974 او برای تهیه شواهدی که ستارهها در لبه کهکشان سریعتر از حد انتظار حرکت میکنند، کمک کرد.
علاوه بر این او دومین ستارهشناس زنی بود که به عضویت آکادمی ملی علوم آمریکا درآمد.
3- ابیولا جیانوتی، فیزیکدان ایتالیایی ذرات اتمی
این فیزیکدان ایتالیایی متولد سال 1960 در رم است و در دانشگاه میلان در رشته فیزیک ذرات تجربی تحصیل کرد.
او شانزدهمین شخصی است که سرن، سازمان فیزیک اروپا را هدایت میکند. سرن بزرگترین آزمایش فیزیک ذرات در جهان است که تحقیقاتی را برای بهبود درک از جهان انجام میدهد.
ابیولا جیانوتی در سال 1994 به سرن پیوست، سازمانی که 10 هزار دانشمند از 100 کشور جهان در آنجا کار میکنند.
4-جاسلین بن برنل، اخترفیزیکدان بریتانیایی
وی در سال ۱۹۴۳ در لرگان، ایرلند شمالی به دنیا آمد و در دانشگاههای یورک، گلاسکو و کمبریج تحصیل کرد.
او تپاخترها (پالسار)، نوعی ستاره نوترونی که اشعه ای باریک ساطع میکند، کشف کرد.
کشف مشترک او با سرپرستش آنتونی هوییش» در سال ۱۹۶۷ یکی از مهم ترین دستاوردهای نجومی قرن بیستم به حساب میآید. هوییش بعدها به خاطر نقش تعیینکننده در کشف پالسها جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۴ را دریافت کرد اما خانم برنل مشمول این جایزه نشد.
الکترونهای دو بعدی در حرکت. این تصاویر از میکروسکوپ دریچه روبشی حرکت الکترونهای مقید به مرز دو بعدی را نشان میدهد که در یک کاواک» گوهای شکل با کنارههای باز جلو و عقب میروند. موجکها اغلب ناشی از اثرات تداخلی امواج الکترونی در کاواک هستند. وقتی روبشگرِ ساختار ولتاژ پایینی دارد، تهاجمی ضعیف» است (چپ) و تصاویر در مقایسه با حالت تهاجمی قوی» -که اطلاعات مفید دیگری به دست میدهد- نرمتر و به ویژگیهای ذاتی ساختار نزدیکترند.
یکی از راهها برای مطالعهی چگونگی حرکت الکترونها در مواد، محدود کردن حرکت آنها به دو بعد در راستای مرز بین دو کریستال نیمهرسانا است (مثل مزرعهی مورچهای» برای الکترونها). اکنون ریچارد اشتاینآچر Richard Steinacher و همکارانش از موسسه فناوری فدرال سوییس (ETH) در زوریخ، روشی را برای تصویربرداری از این به اصطلاح گاز الکترونی دوبعدی (2DEG) ارتقاء دادهاند. سیستم آنها میتواند طرح رسانش ذاتی الکترونها را نمایش داده و آن را از اثرات روبشگر probe جدا کند.
روش میکروسکوپ دریچه روبشی scanning gate microscopy شامل فرستادن جریان به درون سیستم دوبعدی و ثبت چگونگی تغییرات جریان به هنگام جاروب شدن ناحیهی تصویربرداری توسط روبشگر سوزنی شکل است. روبشگر -با پتانسیلی که الکترونها را منحرف کرده یا دفع میکند- مانند یک مانع برای الکترونها عمل کرده و این انحراف» بر روی میزان جریان اندازهگیری شده در ساختار دو بعدی تاثیر میگذارد. سپس هر نقطه بر اساس جریان اندازهگیری شده در لحظهی حضور روبشگر در آن نقطه، رنگ آمیزی میشود. این سیگنال وقتی روبشگر به نواحیای با چگالی بالای الکترونها میرسد از همه جا قویتر است.
به طور معمول، لازم است ولتاژ روبشگر بسیار زیاد باشد به طوریکه تصویر را به هم میریزد. اشتاینآچر و همکارانش ترتیبی دادهاند که تصاویر را در محدودهی وسیعی از ولتاژها از تهاجمی ضعیف» (شکل سمت چپ) تا تهاجمی قوی» (شکل سمت راست) تهیه کنند. تحلیل این شرایط متنوع، جزئیات برهمکنش روبشگر و سایر خواص 2DEG را به دست میدهد. وقتی اختلالات ناشی از روبشگر حذف شود، اثراتی نظیر طرح تداخلی موج الکترونی بیشتر آشکار خواهد شد.
این تحقیق در Physical Review B به چاپ رسیده است.
منبع
Image—The Real Deal on 2D Electron Motion
نقص در مواد مختلف، مثل خارج شدن یک اتم از جای خود یا مرزهای مابین بلورکها، معمولاً قابلیت ماده برای اتلاف حرارت را کاهش میدهد. اکنون جیان فنگ گ (Jian Feng Kong) از موسسه ی ماساچوست در کمبریج و همکارانش سازوکاری را پیشبینی کردهاند که بر اساس آن نقص های ناخالصی (ناشی از اتمهای خارجی) در گرافن میتواند اتلاف حرارت را افزایش دهد. این تیم با تحلیل اثر چنان نقص هایی بر روی گسیل محلیِ فونونها توسط الکترونها، دریافتند که این نقص ها میتوانند همچون کاواک تشدید برای فونونها عمل کرده و گسیل فونون را تا ده برابر بهبود بخشند. این سازوکارِ سردسازی را میتوان با اعمال ولتاژی روشن یا خاموش کرد و سردسازی قابل کنترل را در نانوقطعات برپایه ی گرافن عملیاتی ساخت.
کشف سازوکار اتلاف گرما توسط گ (Kong) و همکارانش مزایای فرآیندی متناظر با اثری موسوم به اثر پورسل را برجسته ساخته است؛ اثر پورسل گسیل ارتقاء یافتهای از فونونها با استفاده از اتمِ به دام افتاده در یک کاواک اپتیکیِ تشدید است. در سازوکار جدید بجای یک اتم در یک کاواک، یک الکترون توسط نقص بدام میافتد. وقتی یک گذار الکترونی نقص با انرژی الکترون بدام افتاده تشدید میشود، الکترون به شکل بسیار کارآمدتری فونون گسیل میکند. این گسیلِ بهبودیافته، اتلاف گرما در ناحیه ی حول نقص را تسهیل می کند.
این تیم پیشبینی میکند که سازوکار ارائه شده، بتواند با تغییر انرژی فرمی ورقه ی گرافن تنظیم شود؛ این انرژی، درواقع انرژی الکترونهای اندرکنش کننده با نقص را تعیین میکند. این تنظیم پذیری به شکل تجربی با اعمال ولتاژ به ماده حاصل می شود. پژوهشگران می گویند که این سازوکارِ شبیه پورسل قادر است نقشه های اتلاف گرما در گرافن را توضیح دهد؛چیزیکه نشان میدهد الکترونها بیشترِ انرژی شان را حول نقص ها از دست می دهند.
همانطور که قرن بیستم را به علت انقلاب عظیمی که کشف و توسعه پلاستیک به همراه داشت، عصر پلاستیک نامگذاری کردهاند به نظر میرسد قرن بیست و یکم نیز عصرگرافن نامگذاری گردد. گرافن یک ماده خارق العاده و خالص است که به علت ساختار ساده و منظمش (برخاسته از چیدمان مرتب تنگاتنگ اتمهای کربن در آن) دارای ویژگیهای منحصر به فرد و قابل توجهی است، ویژگیهایی که هر یک میتوانند انقلابی بزرگ در حوزههای مختلف علم و صنعت ایجاد کنند. به طور مثال پیوند اتمی کربن غیرفی است و شاید این طور به نظر برسد که گرافن نیز بایستی به سبب ساختار کربنی خود دارای خواص غیرفی باشد حال آنکه به صورت حیرت انگیزی رفتار آن بیش از آنچه که باید به فات شبیه است، از استحکام بسیار بالای آن گرفته تا توانایی رسانش فوق العادهاش به نحوی که موجب شده برخی دانشمندان آن را به عنوان نیمه رسانا یا نیمه ف به شمار بیاورند. شاید به نظر برسد که مادهای تا این حد شبیه به فات بایستی بسیار سفت و سخت نیز باشد اما اگر اینطور فکر میکنید باید بدانید که در اشتباهید چرا که ویژگی قابل توجه دیگر گرافن انعطاف پذیری بالای آن است. در واقع استحکام و نرمی هر دو در این مادهی شگفت انگیز به خوبی قابل مشاهدهاند.
به نظر شما علت این همه ویژگیهای خاص و متمایز و تواناییهای به ظاهر متناقض و در عین حال بسیار کاربردی گرافن چیست ؟ برای پاسخ بایستی کمی به عقب برگردیم و از جدول تناوبی عناصر شروع کنیم. همانطور که میدانید تا به حال 94 عنصر در طبیعت شناخته شده است. عنصر کربن که در جدول تناوبی عناصر آن را با حرف C انگلیسی نمایش میدهند و در دسته نافات قرار میگیرد یکی از همین عناصر طبیعی است و دارای سه ایزوتوپ است؛ یعنی در طبیعت، سه اتم کربن با عدد اتمی (تعداد پرونهای هسته) یکسان و عدد جرمی متفاوت (مجموع پروتونها و نوترونهای هسته) وجود دارد که اعداد جرمی آنها 12،13 و 14 است؛ از این میان کربن 13 و کربن 12 پایدار هستند.
نکته مهم در مورد کربن، دگرشکلهای (ایزوتروپ) مختلفی است که بخاطر خواص ویژهاش در طبیعت یافت میشود؛ از الماس گرفته که جزو سختترین مواد دسته بندی میشود تا مغز مداد سیاه شما که از این به بعد آن را با نام گرافیت میشناسیم، جزو دگرشکلهای کربن هستند.
شایان ذکر است که از نظر آرایش الکترونی، هر اتم کربن دارای چهار الکترون آزاد است که قابلیت برقراری چهار پیوند را برای آن مهیا میکند در واقع اتمهای کربن، چهار ظرفیتی هستند.
حال زمان پاسخ به پرسش مطرح شده در قسمت بیاندیشیم فرا رسیده است: "علت اثری که نوک مداد سیاه شما هنگام نوشتن بر کاغذ از خود به جا میگذارد چیست ؟" پیشتر گفتیم که عنصر سازنده گرافیت، کربن است. هر اتم کربن، سه اتم از میان چهار اتم آزاد خود را توسط پیوند کوالانسی (ناف-ناف) به اشتراک میگذارد و به این نحو صفحهای از شش ضلعیهای متصل به هم تشکیل میگردد. در میان این صفحات که آنها را صفحات گرافن مینامیم و شبیه لانه زنبور هستند، نیروی ضعیف واندوالس حاکم است؛ که باعث میشود این صفحات به راحتی روی هم بلغزند؛ همین ویژگی سبب ایجاد ردی از مداد بر کاغذ میشود. در اثر فشار دست شما به مداد هنگام نوشتن، صفحات گرافن روی هم لغزیده و از ساختار گرافیتی مغز مداد جدا شده، روی کاغذ مینشینند.
شکل1- ساختار لانه زنبوری گرافن تک لایه
به طور خلاصه، گرافن ساختاری دو بعدی و یک شبکه شش ضلعی از اتمهای کربن است که با پیوند کوالانسی کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. گرافن انواع مختلف یک، دو و چند لایه دارد که هر یک خواص و همچنین کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند؛ در ضمن گرافن یکی از دگر شکلهای کربن به حساب میآید.
2- چه ویژگیهایی باعث اهمیت گرافن شده است؟
همانطور که قبلا گفتیم اتمهای کربن در ساختار لانه زنبوری گرافن توسط نیروی کوالانسی با هم پیوند دارند. نیروی کوالانسی یکی از قویترین نیروهای بین اتمی موجود در طبیعت است به همین دلیل، گرافن با وجود نازکی، یکی از سختترین مواد به حساب میآید. گرافنهای چند لایه با ضخامتی بسیار بسیار کمتر از فولاد، استحکامی تا 200 مرتبه بیشتر دارند.
چنانچه میدانید گرافن یک لایه از چیدمان اتمهای کربن در یک صفحه یا به عبارتی در دو بعد است پس ضخامتی برابر با قطر اتم کربن دارد به سبب همین ضخامت نانومتری و علیرغم تراکم اتمی بالا، نور را به راحتی از خود عبور داده و شفافیت بسیار خوبی دارد.
از دیگر ویژگیهای به شدت مورد توجه گرافن، خاصیت رسانندگی حرارتی و الکتریکی آن است؛ به عبارت دیگر هادی خیلی خوبی برای گرما و الکتریسیته است و به همین سبب میتواند جایگزین مناسبی برای ف مس در صنعت هادیهای الکتریکی و حرارتی باشد. دلیل این رسانندگی، مجددا به پیوند میان اتمهای کربن در ساختار گرافن برمیگردد؛ همانطور که جلوتر به آن اشاره شد از آنجا که هر اتم کربن در این ساختار با سه اتم کربن دیگر پیوند میدهد یکی از الکترونهای آزاد آن باقی میمانند که پیوندی برقرار نمیکند و اصطلاحا به آن بازوی آزاد اتم کربن گفته میشود. علت رسانندگی بالای گرافن که میتواند تا 100 برابر بیشتر از سیلی باشد؛ تعدد همین بازوهای آزاد و در واقع مجموعهای از الکترونهای آزاد موجود است.
یک تیم تحقیقاتی از کشور تایوان به رهبری لین یو تونگ از دانشگاه ملی چانگ سینگ روشی ابداع کردند که در آن با استفاده از فناوری نانو، زمان نگهداری موز تا 23 روز امکانپذیر میشود. این فناوری توسط محققان در پاویون وزارت علم و فناوری تایوان در Computex Taipei به نمایش گذاشته شد.
لین میگوید این فناوری از نظر تجاری قابل انجام است و در حال حاضر بیش از 80 کسب و کار مختلف از جمله شرکتهای فعال در حوزهی لوازم الکتریکی خانگی برای استفاده از این فناوری رایزنیهایی انجام دادهاند.
افت قیمت موز طی ماههای گذشته توجه رسانهها را به خود جلب کردهاست که از نظر محققان این یک مشکل جدید نیست. این گروه به مدت 9 سال روی روشهای افزایش زمان ماندگاری میوهها کار کردهاند.
لین میگوید زمانی که در آمریکا تحصیل میکرد برای موزهای با کیفیت تایوان دلتنگ میشد، اما این میوهها به سختی از تایوان به خاک آمریکا میرسند. در حال حاضر موزهای شیلی با میانگین مسافت 11157 کیلومتر و موزهای نیوزلند با میانگین فاصله 10765 کیلومتر بسیار سادهتر از موزهای تایوانی به خاک آمریکا میرسند. مسافت طولانی میان دو کشور تایوان و امریکا دانشمندان را بر آن داشته تا به دنبال روشهای پیشرفتهای برای افزایش زمان نگهداری موز باشند.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از مواد معدنی و پسماندهای کشاورزی پوششی ساختند که با استفاده از آن میتوان زمان رسیدن و له شدن موز را افزایش داد. محققان این پروژه قصد دارند با مهندسان فناوری اطلاعات همکاری کنند تا سامانهی خودکاری برای رصد محصولات ارائه کنند. با استفاده از چنین سامانهای، کشاورزان و باغداران میتوانند با استفاده از اپلیکیشن تلفن همراه از وضعیت محصولات خود با خبر شوند.
هزینهی این فناوری هنوز به دقت بررسی نشده است، اما محققان به دنبال شرکتهایی هستند تا این فناوری را تجاریسازی کنند.
کارکردن با نوترینوها آسان نیست. فیزیکدانها برهمکنشهای نادر نوترینو با دیگر ذرات را در آشکارسازهای بزرگ بررسی میکنند، اما نمیتوانند انرژی ورودی نوترینو را کنترل کنند. اکنون پروژه MiniBooNE Collaboration در آزمایشگاه فرمی (Fermilab) نشان داده که چطور بااستفاده از نوترینوهایی که انرژی اولیه یکسان دارند، این مشکل را حل کنند. این نوترینوها بهصورت کاوشگرهای دقیق برهمکنشها با نیروی هستهای ضعیف عمل میکنند و میتواند پاسخ قطعی به این پرسش بدهد که آیا نوترینوهای سترون وجود دارند یا نه، بدهد.
آزمایش MiniBooNE در آزمایشگاه فرمی یکی از چندین آزمایشی است که به بررسی نوسانات نوترینو و تبدیل یک نوع نوترینو به انواع دیگر میپردازد. بهخصوص به دنبال تبدیل نوترینوهای میون به نوترینوهای الکترون، وقتی که مسیر ۵۰۰ متری از منبع تا آشکارساز را طی میکنند، هستند که آشکارساز یک کره بزرگ دربردارنده ۸۰۰ تن روغن معدنی و ۱۰۰۰ آشکارساز نوری است.
یکی از عدمقطعیتهای مهم در آزمایش MiniBooNE و آزمایشهای مشابه، انرژی نوترینوهای ورودی است. محققان میتوانند این انرژی را با اضافهکردن انرژیهای ذرات خروجی بهطور غیرمستقیم اندازهگیری کنند، اما این تخمینها همیشه دقیق نیستند، آثار هستهای و ذرات گمشده میتوانند عدمقطعیت ایجاد کنند. بااینحال، ذرات مشخصی مثل کائون (مزون کا)، نوترینوهای شمع استاندارد» تولید میکنند که انرژی ثابت دارند. کائونها در ۶۴درصد مواقع به میون و نوترینوی میون واپاشی میشوند و اگر کائون در حال س باشد، نوترینوی حاصل همواره انرژی برابر MeV ۲۳۶ خواهد داشت. این واپاشی کائون درحال س» یا نوترینوی KDAR» تنها شمع استاندارد دردسترس با انرژی بیشتر از MeV ۱۰۰ است.
اخیرا پروژه MiniBooNE منبعی از نوترینوهای KDAR پیدا کردند که درست کنار آنها است: باریکه NuMI در آزمایشگاه فرمی، نوترینوها را برای آزمایشهای دیگر تولید میکند و در این فرایند نوترینوهای KDAR خلق میشود. جاشوا اسپیتز از دانشگاه میشیگان در انآربور، یکی از اعضا گروه MiniBooNE، میگوید: این واقعا یک تصادف شادیآور است.
وقتی فوتونهای با انرژی بالا به ف برخورد میکنند و جذب واقعی در انتهای باریکه NuMI رخ میدهد، کائونهایی تولید میشود که حول ماده جذبکننده پراکنده میشوند و درنهایت به س رسیده و نابود میشوند. اسپیتز درابنباره میگوید: MiniBooNE، شار نسبتا بالایی از نوترینوهای KDAR مشاهده کرده است، زیرا نزدیک جذبکننده NuMI، فقط ۸۶ متر دورتر از آن، قرار دارد.
یک نوترینوی KDAR که به آشکارساز MiniBooNE میرسد، با هسته کربن در روغن معدنی برهمکنش میکند و یک میون خلق میکند که با جرقه نوری که تولید میکند، مشخص میشود. چالش اینجاست که نوترینوهای دیگر غیر کائون نیز از باریکه NuMI به MiniBooNE میرسند و این نوترینوهای پسزمینه هم میون تولید میکنند. گروهMiniBooNE برای جداکردن سیگنال KDAR از پسزمینه از دادههای زمانبندیشده استفاده کردند، نوترینوهای KDAR نسبت به هر پالس غیرKDAR که از باریکهNuMI میآید، کمی دیرتر میرسد. گروه توانست با ترکیب این تکنیک با برخی مدلسازیهای بیشتر، ۳۷۰۰ رخداد نوترینوی KDAR را شناسایی کند. آنها انرژی انتقالی به هسته در هر رخداد را اندازهگیری کردند و احتمال (سطح مقطع رخداد) برهمکنش نوترینو- هسته را برای هر رخداد برای هر مقدار انتقال انرژی مشخص کردند، اطلاعاتی که میتوان آنها را با پیشبینیهای مدلهای هستهای مقایسه کرد.
اُر هن، فیزیکدان فیزیک انرژیهای بالا از موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج میگوید: جداسازی سیگنال KDAR از پسزمینه نوترینویی بزرگ، بسیار پیچیده است و پروژه MiniBooNE از ایدههای بسیار هوشمندانهای در تجزیهوتحلیل خود بهره برده است. او معتقد است میتوان از نوترینوهای KDAR برای بهبود درک ما از برهمکنش نوترینو-هسته استفاده کرد. کیت شولبرگ، از دانشگاه دوک در کارولینای شمالی، متخصص نوترینو میگوید: ما بهخوبی نمیدانیم دقیقا چه اتفاقی برای هستهای میافتد که یک نوترینوی چندصد مگاالکترونولتی به آن برخورد میکند. اما در برهمکنش نوترینوی KDAR، شما دقیقا میدانید انرژی ورودی چقدر است، بهاینترتیب میتوانید واکنش هسته را بررسی کنید.
پروژه MiniBooNE در مقالهای که در فیزیکال ریوو لتر (Physical Review Letters) منتشر شده نوشته که در آینده نوترینوهای KDAR را میتوان بهعنوان کاوشگر منحصربهفرد هسته بهکار برد. نوترینوها خنثی هستند و فقط از طریق نیروی هستهای ضعیف برهمکنش میکنند، بنابراین ممکن است اطلاعاتی، مانند محتوای کوارک شگرف در هسته، را نشان دهد که معمولا در اطلاعات نیروهای الکترومغناطیسی قویتر پوشانده شده و دیده نمیشوند. شولبرگ میگوید بررسیهای نوترینوی KDAR در تفسیر نتایج آزمایشهای نوسانی آینده (مثل آزمایش Deep Underground Neutrino و رصدخانه Hyper-Kamiokande) بسیار مهم خواهد بود، که محققان در آنجا بهدنبال پرکردن قطعات نهایی پازل تصویر نوترینو هستند. شولبرگ از نوترینوهای KDAR بهطور مستقیم در آزمایش نوسان استفاده کرده تا ذرات را کنترل کند و ببیند که آیا هیچ ذرهای با انتقال به نوترینوی سترون، ذرات فرضی که با ماده برهمکنش نمیکنند، ناپدید میشود یا نه.
نویسنده: مایکل شیربر، ویراستار فیزیک از لیون، فرانسه
منبع: https://physics.aps.org/articles/v11/35دستگاه طیفسنج IR نانومقیاس موسوم به nanoIR2 برای بررسی ترکیبات موجود در نفت شل مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه میتواند با قدرت تفکیک بسیار بالا ترکیبات موجود در سنگهای رسوبی حاوی نفت شل را مشخصهیابی کند.
محققان مرکز تحقیقات شلومبرگردول برای اولین بار از دستگاه طیفسنجی IR نانومقیاس مبتنی بر AFM برای مشخصهیابی ذرات آلی معلق در نفت شل استفاده کردند.
پژوهشگران نشان دادند که با استفاده از دستگاه nanoIR2 میتوان از ذرات مارسرال تصویربرداری کرد. ماسرال ترکیبی آلی است که منشاء آن ذغالسنگ یا نفت شل است. این گروه تحقیقاتی با استفاده از این روش موفق شدند تا فرآیندی که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی مارسرال شده یا غلظت آن را تغییر میدهد را شناسایی کند.
پمرانتز میگوید: طیفسنجی IR برای مشخصهیابی تودهای کروژن (مادهای صلب آلی که در سنگهای رسوبی یافت میشود) به کار میرود. البته سنگهای طبیعی شل دارای کروژنی هستند که ساختار غیریکنواخت و ناهمگن داشته و ابعاد آن کمتر از محدودیت پراش نور است. ترکیب طیفسنجی IR با AFM میتواند برای پیمایش ترکیب شیمیایی دانههای مختلف کروژن در مقیاسهای بسیار کوچک استفاده شود. یافتههای ما نشان میدهد که برخی از تکههای کروژن تغییرات شگرفی را در طبیعت تجربه میکنند. نسل جدید طیفسنجی جذب IR نانومقیاس موسوم به nanoIR2-FS ابزار مناسبی برای عبور از محدودیت پراش نور در طیفسنجی IR رایج است. این دستگاه بیش از 100 برابر نسبت به روش طیفسنجی رایج قدرتمندتر است. طیفسنجی IR نانومقیاس این امکان را فراهم میکند که انواع مختلفی از مواد، از علوم زنده گرفته تا مواد دو بعدی و پلیمرها را شناسایی و اندازهگیری کرد.»
نتایج این پروژه در نشریه Nature Commiunications به چاپ رسیده است.
درباره این سایت