تاریخ:
19 فوریه 2019
منبع:
دانشگاه رایس

دانشمندان نانوسیم‌های ارزشمندی را از ذرات کوتاه بدون تنه تولید می‌کنند

توضیح تصویر: نانوسیمهای طلای رشد داده شده در آزمایشگاه دانشگاه رایس از شیمیدان یوجین زباروف نوید بخش این هستند که خواص پلاسمونیک قابل تنظیم برای کاربردهای اپتیکی و الکترونیکی را ارائه دهند. سیم‌ها را می توان به نحوی کنترل شده از نانو ذره‌ها رشد داد یا تعدیل کرد.

گزارش کامل

یک افزایش ویتامین C به دانشمندان دانشگاه رایس کمک کرد نانو میله‌های کوچک طلا را به نانوسیم‌های ظریف طلا تبدیل کنند.

اسید آسکوربیک رایج و خفیف، سس نه چندان محرمانه‌ای است که به آزمایشگاه رایس شیمیدان یوجین زباروف کمک کرد تا دسته‌های خالصی از نانو سیم‌ها را از نانو میله‌های کُنده‌ای رشد دهد بدون این که اشکالات تکنیک‌های پیشین وجود داشته باشد.

زباروف گفت: "در مورد استفاده از ویتامین C برای ساختن نانو ساختارهای طلایی، به دلیل وجود چندین نمونه قبلی، هیچ چیز جدیدی وجود ندارد." "اما کاهش آهسته و کنترل شده به دست آمده از ویتامین C برای این نوع شیمی در تولید طولانی مدت نانوسیم‌ها شگفت آور است."

جزئیات کار در مجله ACC Nano، مجله شیمی آمریکا، منتشر شده است. دانشمندان روشی را برای تبدیل میله‌های طلایی کُنده‌ای به نانو سیم‌های طلایی دارای طول چشمگیر کشف کرده‌اند.

نانو میله‌های آزمایشگاه رایس در ابتدای فرآیند تقریبا به اندازه 25 نانومتر ضخامت دارند و در این فرایند می‌مانند در حالی که طول آنها رشد می‌کند تا آنها تبدیل به نانوسیم‌هایی طولانی شوند. در بالای 1000 نانومتر طول، آنها به عنوان نانو سیم مورد توجه قرار می‌گیرند و این مهم است. نسبت ابعادی سیم - طول به پهنا - تعیین می‌کند که چگونه آنها نور را جذب یا منتشر می‌کنند و چگونه الکترون‌ها (یا جریان برق) را هدایت می‌کنند. این خواص، در ترکیب با ویژگی‌های ذاتی فلز طلا، می‌تواند ارزش آنها را برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و برنامه‌های درمانی افزایش دهد.

زبارف و مؤلف راهنما، بیشنو خانال، دانش آموخته شیمی رایس، موفق شدند که ذرات خود را وادارند که خیلی فراتر از تغییر حالت صرف از نانو میله به نانو سیم بروند و از لحاظ نظری دارای طول‌های نامحدود شوند.

محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند کاملاً قابل کنترل و برگشت پذیر است. این باعث می‌شود که نانوسیم‌هایی با هر طول دلخواه ولذا پیکربندی دلخواه تولید شود برای کاربردهای الکترونیکی یا کنترل با نور، به خصوص آنهایی که شامل پلاسمون‌ها می‌باشند، که نوسان‌های الکترون‌ها روی یک سطح فلزی هستند که با نور راه اندازی می‌شوند. (در فیزیک به نوسانات الکترون‌های آزاد یک محیط پلاسمایی، پلاسمون می‌گویند. اگر این الکترون‌ها درون حجم یک فلز قرار داشته باشد به آن‌ها پلاسمون‌های حجمی گفته می‌شود.)

پاسخ پلاسمونیک نانوسیم‌ها می‌تواند تبدیل شود به انتشار نور از طیف مرئی تا مادون قرمز و از لحاظ نظری خیلی فراتر از آن که بستگی دارد به نسبت‌های طول به پهنای نانو سیم‌ها.

فرآیند آهسته است، بنابراین ساعت‌ها طول می‌کشد که یک نانو سیم به طول یک میکرون رشد کند. زباروف گفت: "در این مقاله، ما فقط ساختارهای 4 تا 5 میکرونی در طول را بیان کردیم." "اما ما در تلاش هستیم تا نانو سیمهای طولانی‌تری تولید کنیم."

فرایند رشد تنها به نظر می‌رسید که با نانومیله‌های طلای جفت شده‌ی پنج وجهی، که دارای پنج کریستال لینک شده هستند، کار می کند. زباروف گفت: این میله‌های پنج طرفه - "در مورد مداد، اما با پنج طرف به جای شش وجه، فکر کنید" - در امتداد سطوح مسطح پایدار هستند، اما نه در رأس‌ها.

وی گفت: " رأس‌ها نیز دارای پنج وجه هستند، اما آنها دارای ساختار متفاوتی از اتم‌ها هستند." "انرژی این اتم‌ها کمی پایین‌تر است، و وقتی که اتم‌های جدید در آن جا نشسته می‌شود، آنها هیچ جای دیگری مهاجرت نمی‌کنند."

این مانع می شود که سیم‌ها از طرف محیط رشد کنند. هر اتم اضافه شده طول سیم را افزایش می‌دهد و بنا بر این نسبت ابعادی افزایش می‌یابد.

رئوس انفعالی نانو میله‌ها از یک سورفاکتانت به نام CTAB که سطوح مسطح نانو میله‌ها را پوشش می‌دهد کمک می‌گیرند. زوبارف گفت: "سورفاکتانت یک دو لایه‌ای بسیار متراکم و سفت را بر روی وجه‌ها تشکیل می‌دهد، اما نمی‌تواند به طور مؤثر رئوس را پوشش دهد." (سورفاکتانت ماده‌ای است که تمایل دارد کشش سطحی مایعی که در آن حل شده است را کم کند.) این سیمهای فلزی می‌توانند برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و کاربردهای درمانی مفید باشند.

این امر، رئوس را برای واکنش‌های اکسایش و کاهش باز می‌گذارد. اسید آسکوربیک الکترون‌هایی را فراهم می‌کند که با یون‌های طلا ترکیب می‌شوند و به صورت اتم‌های طلا روی رئوس می‌نشینند. و بر خلاف نانو لوله‌های کربنی که در یک محلول به راحتی توده می‌شوند، نانو سیم‌ها فاصله خود را از یک دیگر حفظ می‌کنند.

زباروف گفت: "ارزشمندترین ویژگی این است که واقعا دراز شدگی نانو میله‌ها به نانو سیم‌ها به صورت یک بعدی است." "قطر را تغییر نمی‌دهد، بنابراین ما می‌توانیم میله‌های کوچک با مثلاً نسبت ابعادی دو یا سه را بگیریم و آنها را تا 100 بار طول خود دراز کنیم."

وی گفت که این روند باید قاعدتاً در مورد سایر نانو ذرات فلزی، از جمله نقره، قابل اعمال شود. نانوسیم‌ها را می‌توان از مس، نقره و طلا ساخت. نانوسیم‌های مسی به دست آمده از رسوب / ته‌نشین شدن بخار شیمیایی با ساختار جفت / دوقلو پنج برابری جهت ادغام در دستگاه‌ها مناسب هستند. محدودیت افزایش شناسه، از اثرناپذیری دیواره‌های کناری سیم‌ها با لیگاند فسفات که از ترکیب پیش ماده به دست آمده ‌است، نشأت می‌گیرد.

نانوسیم‌ها را می‌توان از فلزات، مواد نیمه هادی، مولکول‌های آلی و غیره تهیه کرد و نیز می‌توان آن‌ها را در علوم مکانیک، الکترونیک، اپتیک یا پزشکی به کار برد. نانوسیم‌ها می‌توانند در آیندهٔ نزدیک برای پیوند قطعات ریز به مدارهای بسیار کوچک مورد استفاده قرار گیرند. این‌ گونه قطعات را می‌توان با بهره گیری از فناوری نانو، از ترکیبات شیمیایی تهیه کرد.

بنیاد ملی علوم و بنیاد ولز حمایت از این تحقیق را به عهده داشتند.

منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.

برگرفته از مجله مجله:
Bishnu P. Khanal، یوجین R. Zubarev. تبدیل شیمیایی Nanorods به Nanowires: رشد غیرمستقیم و تجزیه نانوساختارهای طلا. ACS نانو، 2019؛ DOI: 10.1021 / acsnano.8b09203

مترجم: علی رضایی میر قائد