انقلابی در نانوفناوری؛ تصویربرداری سه‌بعدی از تغییرات اتمی در لحظه

تیمی از پژوهشگران دانشکده مهندسی دانشگاه ملی سئول موفق به توسعه فناوری‌ای شده‌اند که امکان مشاهده تغییرات ساختاری اتمی نانوذرات را در سه بعد فراهم می‌کند. این مطالعه که چالشی دیرینه را حل کرده و حتی برندگان جایزه نوبل نیز پیش از این قادر به حل آن نبودند، در تاریخ ۲۹ ژانویه به‌صورت آنلاین در Nature Communications منتشر شد.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، در سال‌های اخیر نانوذرات به دلیل کاربرد گسترده در توسعه مواد پیشرفته برای صنایع پیشرو از جمله انرژی، محیط‌زیست و پزشکی مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند. این ذرات به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود—در حد چند نانومتر—ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردی دارند. واکنش‌پذیری آنها بسته به اندازه‌شان متغیر است و ازاین‌رو، بررسی تغییرات ساختاری آنها اهمیت زیادی دارد.

بااین‌حال، روش‌های موجود برای تحلیل نانوساختار‌ها دارای محدودیت‌هایی هستند. بیشتر این روش‌ها تنها قادر به بررسی نانوذرات در شرایط خلأ و به‌صورت ثابت بوده یا اطلاعاتی میانگین از چندین نانوذره ارائه می‌دهند و مشاهدات را به شناسایی ساده ساختار‌ها محدود می‌کنند. در نتیجه، مشاهده مستقیم ساختار اتمی سه‌بعدی نانوذرات منفرد در محیط‌های مایع، چالشی فنی بزرگ محسوب می‌شود.

در مقابل، ساختار سه‌بعدی اتمی پروتئین‌ها پیش‌تر با موفقیت شناسایی شده است. این موفقیت به لطف توسعه فناوری میکروسکوپ الکترونی کریو (cryo-TEM) توسط سه دانشمند که جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۷ را دریافت کردند، امکان‌پذیر شد.

اکنون تیم تحقیقاتی پروفسور جونگ‌وون پارک با پیشرفت در این حوزه، روشی به نام میکروسکوپ الکترونی عبوری مایع (liquid TEM) مبتنی بر گرافن را توسعه داده است که امکان تصویربرداری سه‌بعدی از نانوساختار‌ها را در محلول فراهم می‌کند. این تکنیک که با عنوان توموگرافی براونی شناخته می‌شود، پیش‌تر در سال ۲۰۲۰ در مقاله‌ای که بر جلد مجله Science منتشر شد، معرفی شده بود.

در ادامه این مسیر، تیم پارک اکنون تکنیک توموگرافی براونی زمان‌دار را توسعه داده است که امکان ردیابی هم‌زمان تغییرات ساختاری اتمی نانوذرات منفرد را در سه بعد فراهم می‌کند. این دستاورد، افق‌های جدیدی را برای درک تغییرات اتمی نانوذرات در حین واکنش‌های شیمیایی پیچیده می‌گشاید. اهمیت این تحقیق که با حمایت برنامه توسعه فناوری‌های آینده سامسونگ—طرحی برای تأمین مالی تحقیقات پیشگامانه در حل چالش‌های علمی بزرگ—انجام شده، در حل موفقیت‌آمیز یک مسئله حل‌نشده علمی برجسته است.

پژوهشگران با استفاده از فناوری میکروسکوپ الکترونی عبوری با سلول مایع گرافنی (Graphene Liquid Cell TEM)، موفق به مشاهده نانوذرات در حال حرکت آزادانه در محلول شدند. این روش شامل ثبت حرکات تصادفی (حرکت براونی) نانوذرات از زوایای مختلف در طول زمان و بازسازی داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌صورت تصویربرداری سه‌بعدی است.

برخلاف روش‌های سنتی میکروسکوپ الکترونی عبوری که عمدتاً نانوذرات ثابت‌شده در خلأ را بررسی می‌کنند، یا روش‌های طیف‌سنجی که تنها اطلاعات میانگین از تعداد زیادی نانوذره ارائه می‌دهند، این پیشرفت یک گام اساسی رو به جلو محسوب می‌شود. این نخستین فناوری است که توانایی اندازه‌گیری مستقیم آرایش اتمی سه‌بعدی یک نانوذره منفرد را در حال تغییر دینامیکی در محیط مایع دارد.

علاوه بر این، تیم پژوهشی با استفاده از تکنیک جدید، تغییرات ساختاری نانوذرات پلاتین (Pt) را در مقیاس اتمی در حین فرایند اچینگ (خوردگی شیمیایی) بررسی کرد. آنها توانستند لحظاتی را که در آن اتم‌های سطحی جدا شده (دسورب شده)، بازآرایی شده یا مجدداً به سطح بازجذب (ری‌ادسورب) شدند، به‌طور دقیق ثبت کنند.

همچنین، پژوهشگران کشف کردند که در مقیاس کمتر از ۱ نانومتر، نانوذرات پلاتین یک فاز بی‌نظم غیرمنتظره را نشان می‌دهند، چراکه پلاتین معمولاً دارای ساختار اتمی منظم است. این یافته نشان می‌دهد که نانوذرات بسیار کوچک ممکن است دارای ویژگی‌های ساختاری منحصربه‌فردی باشند که در نمونه‌های بزرگ‌تر از همان عنصر مشاهده نمی‌شود.

تکنیک توموگرافی براونی زمان‌دار به‌عنوان یک پیشرفت تحول‌آفرین در مشاهده ساختار‌های اتمی شناخته می‌شود و از روش‌های رایج میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و کریو-TEM—که پایه دریافت جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۷ بود—فراتر می‌رود. این نوآوری به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا چگونگی تغییرات ساختاری نانومواد را در طول زمان و تحت شرایط شیمیایی مختلف، از جمله ولتاژ اعمال‌شده یا ترکیب محلول واکنش‌گر، بررسی کنند.

نتایج این مطالعه انتظار می‌رود درک دقیق‌تری از تغییرات ساختاری تأثیرگذار بر عملکرد نانومواد نسل آینده، از جمله فلزات، نیمه‌هادی‌ها و اکسیدها، ارائه دهد. افزون بر این، این پژوهش توانست تغییرات ساختاری نانوذرات پلاتین—که کاتالیزور‌های حیاتی در فناوری‌های پاک مانند تولید هیدروژن هستند—را مشاهده کند و مسیر را برای توسعه کاتالیزور‌های پیشرفته هموار سازد.

پارک در این زمینه اظهار داشت: «توسعه توموگرافی براونی زمان‌دار، ادامه‌دهنده مسیر میکروسکوپ الکترونی کریو که جایزه نوبل ۲۰۱۷ را دریافت کرد و همچنین فناوری میکروسکوپ مایع که در سال ۲۰۲۰ روی جلد Science منتشر شد، محسوب می‌شود. این تکنیک جدید نقش بسزایی در کشف مکانیسم‌های پیچیده واکنش در سلول‌های سوختی هیدروژنی، کاتالیزور‌های تبدیل CO₂، باتری‌های لیتیوم-یونی و سایر مواد پیشرفته انرژی خواهد داشت و طراحی مواد برتر را تسهیل می‌کند.»

سونگسو کانگ، نویسنده اصلی مقاله، نیز خاطرنشان کرد: «تحقیقات ما توانست تغییرات ساختاری اتمی نانوذرات را در محیط مایع، آن‌هم به‌صورت لحظه‌ای، به تصویر بکشد. این موفقیت به‌ویژه حائز اهمیت است، زیرا برای نخستین بار حرکات سطحی اتم‌ها و ظهور فاز‌های جدید منحصر‌به‌فرد در نانومواد را که شناسایی آنها با روش‌های طیف‌سنجی یا الکتروشیمیایی رایج دشوار بود، آشکار کرد.»

انتهای پیام/