شعبده‌بازی نانویی / نانوحباب‌هایی که با یک ترفند علمی نَترکیدند!

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، هنگامی که یک شعبده‌باز ناگهان سفره‌ای را از روی میزی پر از بشقاب و لیوان بیرون می‌کشد، لحظه‌ای حالت تعلیق روی میز به وجود می‌آید که در آن لحظه در حالی که سفره از روی میز کشیده می‌شود، اما بشقاب و لیوان تکان نمی‌خورند. محققان مشابه این کار را با حباب‌های الکتریکی کردند. آن‌ها با دست نخورده نگه داشتن «حباب‌های فروالکتریک»، راه را برای توسعه دستگاه‌های جدید هموار کردند.

تا پیش از این، دانشمندانی که با حباب‌های الکتریکی ویژه برای ایجاد نسل بعدی دستگاه‌های میکروالکترونیکی و ذخیره‌سازی انرژی انعطاف‌پذیر کار می‌کردند، با یک معضل مشابه مواجه بودند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون در وزارت انرژی آمریکا (DOE) روش جدیدی را برای انجام یک نسخه اتمی از این ترفند سفره کشف کردند که با زدودن لایه‌های نازک ناهم‌ساختاری حاوی حباب‌های الکتریکی از یک ماده زیرین یا بستر خاص و در عین حال نگه داشتن حباب‌ها، کاری مشابه کشیدن سفره از زیر بشقاب و لیوان را انجام دادند. این کشف ممکن است ما را یک قدم به مجموعه‌ای از کاربرد‌ها نزدیک‌تر کند که بر این ساختار‌های غیرعادی و شکننده تکیه دارند.

سایدور باکال از محققان این پروژه، گفت: «حباب‌ها بسیار شکننده هستند و در ابتدا به مواد زیرین خاصی به نام بستر‌ها و شرایط خاصی نیاز دارند تا بتوانند به رشد فیلم‌ها کمک کنند. مواد زیادی وجود دارد که این حباب‌ها می‌توانند برای تولید آن‌ها به‌کار روند. با این حال، ما نتوانستیم آن‌ها را مستقیماً روی این مواد رشد دهیم. تحقیقات ما گام اولیه برای امکان پذیر ساختن این کار است.»

حباب‌های الکتریکی در یک ساختار فوق نازک سه‌لایه با خواص الکتریکی متناوب یافت می‌شوند: فروالکتریک، سپس یک لایه دی الکتریک، دوباره فروالکتریک.

حباب‌های این ساختار چندلایه از دوقطبی‌های مرتب شده خاص یا بار‌های الکتریکی دوقلو ساخته شده‌اند. جهت‌گیری این دوقطبی‌ها بر اساس کرنش موضعی در ماده و بار‌های روی سطح است که باعث می‌شود دوقطبی‌ها پایین‌ترین حالت انرژی خود را پیدا کنند. در نهایت، حباب‌های الکتریکی تشکیل می‌شوند، اما تنها زمانی که شرایط خاصی برآورده شود. آن‌ها همچنین به راحتی توسط نیرو‌های حتی کوچک دچار اعوجاج می‌شوند.

در این آزمایش، همکاران باکال در دانشگاه نیو ساوت ولز، ابتدا حباب‌ها را در یک لایه ناهم‌ساختار فوق‌العاده نازک روی یک بستر تیتانات استرانسیوم رشد دادند. سپس، باکال با چالش حذف ساختار ناهمسان از بستر در حالی که حباب‌ها را حفظ می‌کرد، مواجه شد.

دامنه‌های حباب کوچک هستند. شعاع آن‌ها فقط حدود ۴ نانومتر، به اندازه یک رشته DNA انسان است. بنابراین، دیدن آن‌ها دشوار است. در بخش علوم مواد آرگون، روش‌های میکروسکوپ کاوشگر روبشی پیشرفته با تجزیه و تحلیل تبدیل فوریه به دانشمندان این امکان را می‌دهد که نه تنها آن‌ها را ببینند، بلکه خواص این حباب‌ها را در فیلم‌های مستقل مشخصه‌یابی کنند.

برای اثبات اینکه حباب دست نخورده باقی مانده‌اند، باکال ویژگی‌های الکترونیکی (ظرفیت) و پیزوالکتریک آن‌ها را از طریق دو روش میکروسکوپ اندازه‌گیری کرد: میکروسکوپ امپدانس مایکروویو روبشی و میکروسکوپ نیروی واکنش پیزوالکتریک.

نتایج نشان داد که حباب‌ها دست‌نخورده باقی مانده‌اند. به گفته باکال، نتیجه هیجان‌انگیز است، زیرا این حباب‌ها خواص الکتریکی و مکانیکی غیرمعمول و جالبی دارند. او گفت: «حباب‌های فروالکتریک اجسامی در مقیاس نانو هستند که به تازگی کشف شده‌اند.»

این دستاورد محققان، بر پایه علم فیزیک است، نه سحر و جادو، که یک راه بالقوه جدید برای توسعه محصولات جدید ایجاد کرده است.