اَبَرشبکه‌های فوقِ نازک از نانوذرات طلا برای نانوفوتونیک

لایه فوق نازک از هسته های هیدروژل کروی با ذرات طلای منتقل شده به یک زیر لایه‌ی شیشه‌ای. اعتبار: HHU / کریستوف کاوان
 
محققان به ریاست پروفسور دکتر ماتیاس کرگ در مؤسسه شیمیِ فیزیکی گزارش یک روش ساده برای توسعه لایه های ذره ای بسیار منظم را می دهند. این گروه با دانه های پلیمری کروی ریز شکل پذیر، با ساختار هیدروژل مانند کار می کرد. هیدروژل ها شبکه های سه بعدی متورم از آب هستند. چنین ساختارهایی به عنوان اَبَر جاذب‌ها در محصولاتی مانند پوشک بچه ها، به دلیل توانایی آنها برای جذب مقادیر زیادی از مایعات، مورد استفاده قرار می گیرند.
 
در داخل این دانه های هیدروژل، ذره های ریز طلای یا نقره که فقط چند نانومتر اندازه دارند وجود دارد که تیم کرگ در HHU با استفاده از نمک های فلزی در یک فرآیند کاهش سنتز کرده است. "ما می توانیم اندازه ذرات طلا را بسیار دقیق تنظیم کنیم، زیرا پوسته های هیدروژل نسبت به نمک های فلزی محلول نفوذ پذیر هستند، و این باعث رشد بیش از حد پیاپی هسته های طلا می شود." ساختار این ذرات هسته ای – پوسته ای می تواند تقریبا با یک گیلاس مقایسه شود، که در آن یک هسته سخت توسط پالپ نرم احاطه شده است.
 
محققان دوسلدورف از یک محلول رقیق شده از این دانه های هیدروژل برای تولید تک لایه ای های نازک استفاده کردند. آنها دانه ها را به یک سطح آب اعمال کردند، جایی که یک لایه ی سوسوزن بسیار منظم خود-مونتاژ شد. محققان این لایه را از سطح آب به روی زیر لایه شیشه ای منتقل کردند؛ این انتقال باعث می شود که زیرلایه شیشه ای سوسوزن شود.
 
نگاه به چنین لایه ای با میکروسکوپ الکترونی یک آرایه ذره ای شش ضلعی با قاعده را نشان می دهد. دانشجوی دکترا، کریستن وُلک، توضیح می دهد: "اینها ذرات طلا در پوسته هایشان هستند، و ما می بینیم که آنها در یک لایه بسیار منظم شده منفرد مرتب شده اند." ذرات طلا رنگ لایه را با منعکس کردن نور مرئی در طول موج های خاص تعیین می کند، که تداخل می کنند و لذا باعث می شود که در هنگام مشاهده از زوایای مختلف، تغییر رنگ ایجاد شود.

 
تولید ساختار لایه ای (از سمت چپ): ابتدا یک محلول حاوی هسته های کروی هیدروژل که شامل ذرات طلا هستند به دقت به یک سطح آب اعمال می شود. این به سرعت یک لایه فوق نازک سوسوزن را شکل می دهد که پس از آن می تواند با استفاده از یک بستر شیشه ای برداشته شود. اعتبار: HHU / کریستوف کاوان
 
پروفسور کرگ می گوید: "این لایه های نازک برای اپتوالکترونیک، یعنی انتقال و پردازش داده ها با استفاده از نور، بسیار جالب هستند. همچنین ممکن است از آنها برای ساخت لیزرهای مینیاتوری استفاده کرد." این نانولیزرها تنها دارای ابعاد نانومتری هستند، بنابراین یک فناوری کلیدی در رشته نانوفوتونیک تشکیل می دهند.
 
محققان دانشگاه دوسلدورف در مطالعه خود که در مجله ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شده است، برمانع عمده ای در مسیر چنین نانولیزرهایی فائق آمده اند. آنها تشدیدهای تجمعی را در ذرات طلا توسط نور فرودی به وجود آوردند. این بدان معنی است که ذرات طلا به صورت منفرد تحریک نمی شوند؛ در عوض، تمام ذرات تحریک شده در تشدید هستند. این تشدید جمعی پیش نیاز اساسی برای ساخت لیزرهاست. لایه های ذره ای نیز بسیار نازک هستند.
 
برای کاربردهای اپتوالکترونیکی و نانولیزرها، حالتهای تشدید لازم است در لایه های نازک بیشتر تقویت شود. پروفسور کرگ می گوید: "بعد، ما سعی خواهیم کرد که تشدید را به وسیله تقویت با تابشگرها تقویت کنیم. در بلندمدت، این امر همچنین می تواند به ما در دستیابی به نانولیزرهای الکتریکی کمک کند."
 

 

کریستینا Tschulik و Mathies Evers در حال توسعه روش هایی هستند که به استفاده تا حد ممکن کم از نانوذرات فلزی گرانبهای گران قیمت و نادر به عنوان کاتالیزور کمک می کند. اعتبار: RUB، Marquard
 
محققان Ruhr-Universität Bochum و موسسه Fritz Haber برلین روش جدیدی برای کمک به ابقای کاتالیزورهای نادر و گرانقیمت و کم کردن مصرف آنها توسعه داده اند. آنها یک نمک فلز گرانبها را در میسل های ریز محصور کردند و با یک الکترود کربنی زدند، و بنابراین سطح را با نانوذرات فلز گرانبهای موجود در میسلها پوشش دادند. به طور همزمان، تیم دقیقا تجزیه و تحلیل کرد که چقدر فلز نشانده شده است. محققان پس از آن نشان دادند که الکترود پوشش داده شده به این روش می تواند به طور مؤثر کاهش اکسیژن، که فرایند شیمیایی محدود کننده در سلول های سوختی است، را کاتالیز کند.
 

گروه تحقیقاتی با استفاده از میسلها، نانوذرات طلا را تولید کردند. ذرات در ابتدا متشکل از یک ماده پیشرو، اسید کلرو اوریک، بود که در یک پوسته بیرونی پلیمری پیچیده شده بود. مزیت این کار: کریستینا توچولیک، یکی از محققان اصلی، می گوید: "هنگامی که ما نانوذرات طلا را با استفاده از میسل ها تولید می کنیم، نانوذرات همه تقریبا به یک اندازه هستند." فقط یک بار معین از ماده پیشرو، که از آن یک ذره منفرد با  اندازه معین تولید می شود، در داخل میسل کوچک فیت می شود. فرایند ما به این معناست که حتی سطوح پیچیده را می توان با استفاده از کاتالیزور به طور یکنواخت بارگذاری کرد. توچولیک اضافه می کند: "چون ذرات دارای اندازه های مختلف دارای خواص کاتالیزوری متفاوت هستند، مهم است که اندازه ذرات را با استفاده از مقدار میسل های بار کنترل کنیم."
 

 

این محلول حاوی ماده پیشرو است که در آزمایشات الکتروشیمیایی به نانو ذرات طلا تبدیل شده است. اعتبار: RUB، Marquard
 
برای ایجاد پوشش روی الکترود استوانه ای، محققان آن را در یک محلول حاوی میسل های بار شده قرار داده و ولتاژی را به الکترود اعمال کردند. حرکت تصادفی میسلها در محلول موجب شد تا آنها در طول زمان با سطح الکترود برخورد کنند.
 
در آنجا، پوسته بیرونی باز شد و یونهای طلا از اسید کلرو اوریک واکنش دادند تا به شکل طلای عنصری درآیند، که به سطح الکترود به صورت یک لایه‌ی یکنواخت از نانوذرات چسبید. توچولیک توضیح می دهد: "تنها بسترهای تخت می توانند به طور یکنواخت با نانوذرات با استفاده از روش های استاندارد پوشش داده شوند." "فرایند ما به این معناست که حتی سطوح پیچیده را می توان با استفاده از کاتالیزور به طور یکنواخت بارگذاری کرد."
 
منبع: دانشگاه Heinrich-Heine دوسلدورف