زنجیره تکاتمی مس با بیش از 4000 اتم ساخته شد
دانشمندان با اعمال فشار فوقالعاده بالا بر یک رنگدانه آبی پرکاربرد، موفق شدهاند زنجیرهای متشکل از بیش از ۴۰۰۰ اتم مس ایجاد کنند. این زنجیره تکاتمی که میتواند بهعنوان یک سیم مولکولی در مقیاس اتمی مورد استفاده قرار گیرد، حدود دو تا سه مرتبه بزرگتر از طولانیترین زنجیرههای تکاتمی ساختهشده پیش از این است.
رکورد قبلی در این زمینه تنها ۲۸ اتم بود، در حالی که ساختار جدید میتواند در طول چندین میکرومتر امتداد داشته باشد. نتایج این پژوهش توسط گروهی از دانشمندان در مجله معتبر Science منتشر شده است.
تبدیل رنگدانه آبی به یک زنجیره تکاتمی مس
پژوهشگران برای ساخت این ساختار غیرمعمول از فتالوسیانین مس (Copper Phthalocyanine یا CuPc) استفاده کردند؛ ترکیبی که در تولید رنگدانه آبی معروف فتالو بلو (Phthalo Blue) کاربرد دارد. آنها بلورهای CuPc را در معرض فشاری بیش از ۲۱ گیگاپاسکال قرار دادند؛ فشاری که تقریباً ۲۰۰ هزار برابر فشار طبیعی جو زمین است. این فشار شدید باعث شد ساختار مولکولی ماده تغییر کند و اتمهای مس به شکل زنجیرههایی بسیار طولانی و باریک در کنار یکدیگر قرار بگیرند.
هر زنجیره از یک هسته متشکل از اتمهای منفرد مس تشکیل شده و درون یک پوسته کربنی قرار گرفته است. نتیجه، ساختاری شبیه یک سیم برق در مقیاس اتمی است.
اتمها در یک ردیف؛ باریکترین سیم فلزی ممکن
زنجیرههای تکاتمی فلزی یکبعدی (1D SMACs) بهعنوان باریکترین سیمهای فلزی ممکن شناخته میشوند و به دلیل ویژگیهای غیرمعمول الکترونیکی، مغناطیسی و کاتالیستی مورد توجه دانشمندان قرار گرفتهاند. این ساختارها علاوه بر کاربردهای بالقوه در فناوری، امکان مطالعه رفتار ماده در کوچکترین مقیاسهای ممکن را نیز در اختیار پژوهشگران قرار میدهند.
دانشمندان پیش از این نیز توانسته بودند زنجیرههای تکاتمی ایجاد کنند، اما ساخت زنجیرههای طولانیتر همواره یک چالش جدی بوده است. روشهای معمول برای تولید SMACها بر رشد زنجیرهها در محلولهای مایع حاوی لیگاندها متکی هستند.
لیگاندها مانند پوششهای شیمیایی اطراف اتمهای فلزی عمل میکنند و به پایدار ماندن زنجیره کمک میکنند. با این حال، هرچه زنجیره طولانیتر شود، لیگاندهای بیشتری برای پایدارسازی آن مورد نیاز است و این مواد در نهایت در محلول نامحلول میشوند.
این مسئله باعث توقف فرآیند تولید میشود و در بیشتر روشهای قبلی، طول زنجیرههای تکاتمی را به کمتر از ۱۰ اتم محدود کرده است.
حذف محلولهای مایع برای ساخت زنجیرههای طولانیتر
پژوهشگران برای غلبه بر این مشکل، روشهای مبتنی بر محلول را کنار گذاشتند و از یک واکنش حالت جامد تحت فشار بالا استفاده کردند. آنها کار را با بلورهای فتالوسیانین مس آغاز کردند. مولکولهای این ماده ساختاری مسطح و حلقهای دارند و هر مولکول نیز شامل یک اتم مس است. این مولکولها بهطور طبیعی روی یکدیگر قرار میگیرند و آرایشی شبیه ستونی از سکهها ایجاد میکنند.
سپس بلورهای رنگدانه را داخل وسیلهای کوچک برای ایجاد فشار فوقالعاده بالا به نام سلول سندان الماسی (Diamond Anvil Cell) قرار دادند. این دستگاه شرایط لازم برای ایجاد تغییر ساختاری در ماده جامد را فراهم کرد. در اثر فشار شدید، اتمهای مس بهشدت به یکدیگر نزدیک شدند. همزمان، حلقههای کربنی خارجی مولکولهای مجاور با یکدیگر ترکیب شدند و یک لوله کربنی بسیار مقاوم و شبیه الماس را در اطراف هسته مس ایجاد کردند.
این پوسته کربنی باعث شد اتمهای مس به صورت یک خط کاملاً مستقیم و پایدار در کنار یکدیگر باقی بمانند.
ساختار سهلایهای نانوسیم مس
هر یک از این نانوسیمها یا کابلهای اتمی دارای سه لایه هممرکز است:
- هسته مرکزی: زنجیرهای از اتمهای منفرد مس
- لایه میانی: چارچوب حلقهای رسانا از اتمهای کربن و نیتروژن
- پوسته بیرونی: پوشش محافظ کربنی شامل شبکهای از کربنهای sp³ که کل سیم را احاطه کرده است.
زنجیرههای مس پایدار و ویژگیهای غیرمنتظره
یکی از ویژگیهای قابل توجه این زنجیرههای تکاتمی، پایداری بالای آنها است. ساختارهای تولیدشده در شرایط معمول هوا پایدار باقی ماندند و حتی پس از قرار گرفتن در یک محلول بسیار اسیدی و تحت ارتعاشات شدید فراصوت برای چند ساعت، از هم نپاشیدند.
این نانوسیمها همچنین رفتار الکتریکی بسیار متفاوتی در جهتهای مختلف نشان دادند. در نمونههای واقعی، جریان الکتریکی در امتداد طول سیم بیش از ۱۰ برابر سریعتر از جهت عرضی حرکت میکند. مدلهای رایانهای نشان دادند که اگر این سیم کاملاً ایدهآل و بدون هیچ نقص ساختاری باشد، سرعت جریان الکتریکی در امتداد زنجیره میتواند تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر باشد.
اتمهای مس عامل اصلی رسانایی نیستند
یکی از یافتههای غیرمنتظره این پژوهش آن بود که برخلاف انتظار، خود اتمهای مس مسئول انتقال جریان الکتریکی در این ساختار نیستند. پیوند بسیار ضعیف میان اتمهای مس باعث میشود آنها نتوانند بهتنهایی جریان الکتریکی را به شکل مؤثر منتقل کنند. در عوض، این اتمهای کربن و نیتروژن در چارچوب حلقهای اطراف زنجیره مس هستند که امکان حرکت جریان الکتریکی در طول سیم را فراهم میکنند.
این ویژگی، درک دانشمندان از نحوه انتقال الکتریسیته در ساختارهای فلزی یکبعدی را پیچیدهتر و در عین حال جذابتر میکند.
برهمکنش مغناطیسی میان اتمهای مس
پژوهشگران علاوه بر ویژگیهای الکتریکی، رفتار مغناطیسی این زنجیرهها را نیز بررسی کردند. اندازهگیریهای مغناطیسی نشان داد که میان اتمهای مس مجاور، برهمکنشهای پادفرومغناطیسی (Antiferromagnetic) وجود دارد. در این حالت، گشتاورهای مغناطیسی اتمهای مجاور در جهتهای مخالف یکدیگر قرار میگیرند.
این ویژگی میتواند اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار مواد و برهمکنشهای مغناطیسی در سیستمهای یکبعدی در اختیار دانشمندان قرار دهد.
آیا این زنجیرههای تکاتمی میتوانند سیمهای آینده باشند؟
نتایج این پژوهش نشان میدهد که سنتز در فشار بالا میتواند روشی امیدوارکننده برای تولید سیمهای مسی تکاتمی فوقالعاده طولانی باشد. با این حال، یک مشکل اساسی همچنان وجود دارد: تولید این ساختارها به فشارهای بسیار زیاد نیاز دارد. همین مسئله میتواند تبدیل این روش به یک فرآیند صنعتی و تولید انبوه را دشوار کند.
از طرف دیگر، توانایی ساخت زنجیرهای با بیش از ۴۰۰۰ اتم مس، در مقایسه با رکورد قبلی ۲۸ اتم، نشان میدهد که میتوان محدودیتهای موجود در ساخت نانوسیمهای تکاتمی را به شکل چشمگیری پشت سر گذاشت. این ساختارها در آینده میتوانند در تحقیقات مرتبط با الکترونیک در مقیاس اتمی، سیمهای مولکولی، فناوری نانو، مواد پیشرفته و فیزیک سیستمهای یکبعدی مورد توجه قرار گیرند.
یک گام تازه در مطالعه ماده در مقیاس اتمی
اگرچه هنوز فاصله زیادی تا استفاده صنعتی از این زنجیرههای تکاتمی وجود دارد، این پژوهش یک دستاورد مهم در زمینه ساخت و مطالعه نانوسیمهای فلزی یکبعدی محسوب میشود.
تولید زنجیرهای از بیش از ۴۰۰۰ اتم مس نشان میدهد که میتوان ساختارهای فلزی فوقالعاده باریک را در طولهایی بسیار بیشتر از نمونههای قبلی ایجاد کرد. پژوهشگران امیدوارند این روش راههای جدیدی برای بررسی فیزیک بنیادی سیستمهای یکبعدی و توسعه مواد و ساختارهای الکترونیکی در مقیاس اتمی باز کند.
جمعبندی
دانشمندان با قرار دادن فتالوسیانین مس (CuPc) در معرض فشار بیش از ۲۱ گیگاپاسکال، موفق شدند زنجیرههای تکاتمی مس با طول میکرومتری و بیش از ۴۰۰۰ اتم تولید کنند. این ساختارها درون یک پوسته کربنی مقاوم قرار دارند و از سه لایه اصلی شامل زنجیره مس، چارچوب کربن-نیتروژن و پوسته محافظ کربنی تشکیل شدهاند.
این زنجیرههای تکاتمی علاوه بر پایداری قابل توجه، ویژگیهای الکتریکی و مغناطیسی منحصربهفردی دارند و میتوانند به دانشمندان در مطالعه رفتار ماده در مقیاس اتمی کمک کنند. با وجود چالش فشار بسیار زیاد برای تولید آنها، این دستاورد میتواند زمینه را برای تحقیقات آینده درباره سیمهای مولکولی و نانوساختارهای الکترونیکی فراهم کند.
