کریستال هوشمند؛ شناسایی آلاینده‌های آب و هوا با تغییر رنگ

دانشمندان موفق به ساخت نوعی کریستال هوشمند شده‌اند که با تغییر رنگ خود، قادر به شناسایی آلاینده‌های موجود در آب و هواست. این نوآوری می‌تواند به عنوان ابزاری دقیق و بصری برای پایش کیفیت محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد.

کد خبر: ۱۲۶۳۳۲۹

يکشنبه - ۲۸ ارديبهشت ۱۴۰۴ / May 18, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، کریستالی را تصور کنید که تنها با تماس با یک آلاینده تغییر رنگ می‌دهد و تقریباً بلافاصله وجود آن را آشکار می‌کند. دانشمندان موسسه فناوری شیبورا (SIT) ژاپن کریستالی را توسعه داده‌اند که می‌تواند به این هدف دست یابد.

این تیم با طراحی یک مولکول جدید به نام مشتق پیرازیناسن، کریستالی را توسعه دادند که در معرض نفتالین، یک آلاینده شناخته شده هوا و آب، رنگ خود را از آبی مایل به سبز به بنفش قرمز تغییر می‌دهد.

چیزی که این موضوع را حتی قابل توجه‌تر می‌کند این است که این تغییر برگشت‌پذیر است، به این معنی که کریستال می‌تواند به رنگ اصلی خود بازگردد و دوباره مورد استفاده قرار گیرد. این تحقیق می‌تواند منجر به توسعه حسگر‌های شیمیایی نسل بعدی شود که به محافظت از سلامت انسان و محیط زیست کمک می‌کنند.

تیم SIT خاطرنشان می‌کند: «این کریستال قادر به واکنش با نفتالین برای ایجاد تغییر رنگ برگشت‌پذیر است. چنین کریستال‌های تغییر رنگ‌دهنده‌ای می‌توانند کاربرد‌های بالقوه‌ی مختلفی در علم مواد داشته باشند.»

کریستالی با قابلیت انتقال بار دوگانه

برای درک اینکه چه چیزی این کریستال پیرازیناسن را خاص می‌کند، مهم است که کمی در مورد فرآیند انتقال بار (حرکت الکترون) که در واقع باعث تغییر رنگ کریستال می‌شود، بدانیم.

این می‌تواند درون یک مولکول واحد (انتقال بار درون مولکولی یا ICT) یا بین دو مولکول مختلف (انتقال بار بین مولکولی یا CT) اتفاق بیفتد. در حالی که ICT اغلب در رنگ‌ها و OLED‌ها استفاده می‌شود، CT نقش عمده‌ای در سلول‌های خورشیدی و نیمه‌رسانا‌ها ایفا می‌کند.

با این حال، ترکیب هر دو نوع انتقال بار در یک ماده چالش برانگیز بوده است. تیم SIT توضیح داد: «این امر به این دلیل است که نیاز به کنترل دقیق بر طراحی مولکولی و برهمکنش‌های بین مولکولی دارد. علاوه بر این، سیستم هیبریدی باید از ماده‌ای تشکیل شده باشد که در چنین شرایط انتقال سریع (الکترون) پایدار بماند.»

برای غلبه بر این مشکل، نویسندگان این مطالعه مولکول جدیدی به نام ترکیب یک (compound one) طراحی کردند، نوعی پیرازیناسن با گروه‌های دهنده الکترون (تری فنیل آمین‌ها) و گروه‌های گیرنده الکترون (گروه‌های سیانو)، که همگی از طریق یک هسته حلقه‌ای شکل با کمبود الکترون به هم متصل شده‌اند.

این ساختار به الکترون‌ها اجازه حرکت در داخل مولکول (ICT) را می‌داد و به آن رنگ آبی مایل به سبز می‌داد. وقتی این ترکیب با نفتالین مخلوط شد، دو مولکول با نسبت کاملاً ۱:۱ متبلور شدند.

این جفت شدن نزدیک، نحوه حرکت الکترون‌ها را تغییر داد. به جای ماندن در ترکیب اول، برخی از الکترون‌ها از نفتالین به کریستال جدید منتقل شدند. این تغییر در جریان الکترون باعث شد که کریستال به طور چشمگیری تغییر رنگ دهد، از سبز-آبی به قرمز-بنفش، و به این ترتیب انتقال بار بین مولکولی (CT) حاصل شود.

کازوشی ناکادا، محقق ارشد و دانشجوی کارشناسی ارشد در SIT، گفت: «طراحی مولکول ما رقابت بین انتقال بار درون مولکولی و بین مولکولی را محقق می‌کند. این امر به مولکول ما اجازه می‌دهد تا به عنوان حسگری عمل کند که می‌تواند از طریق یک تغییر رنگ ساده، حتی مقادیر ناچیز نفتالین - یک ماده تنظیم‌شده توسط محیط زیست - را در آب شیرین و آب دریا شناسایی کند.»

یک آشکارساز آلاینده انتخابی و قابل استفاده مجدد

وقتی نویسندگان این مطالعه کریستال را برای تشخیص ترکیباتی مانند اکتافلوئورونفتالین، که بسیار شبیه نفتالین است، آزمایش کردند، در کمال تعجب، این کریستال کمکی تشکیل نشد و هیچ تغییر رنگی رخ نداد.

این نشان می‌دهد که ساختار کریستالی برای نفتالین بسیار گزینش‌پذیر است. تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی بیشتر و پراش پرتو ایکس، این هم‌بلوری گزینشی را تأیید کرد. با این حال، گرم کردن کریستال تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد، نفتالین را بیرون راند و کریستال را به رنگ سبز-آبی اولیه خود بازگرداند و ثابت کرد که این فرآیند برگشت‌پذیر و قابل استفاده مجدد است.

منبع: https://interestingengineering.com/science/crystal-detects-naphthalene-changes-color