دانشمندان از فناوری تصویربرداری برای تجسم گرما استفاده می‌کنند

محققان کالج مهندسی گرینگر در دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین از فناوری تصویربرداری پیشرفته برای مشاهده مستقیم شاخه‌ای از فیزیک ارتعاشی که قبلاً پنهان بود در مواد دوبعدی استفاده کرده‌اند.

کد خبر: ۱۲۸۸۵۷۹

شنبه - ۰۴ مرداد ۱۴۰۴ / July 26, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، بیشتر مردم ارتعاش را در مقیاس بزرگی مانند صدای اعلان تلفن همراه یا نوسان مسواک برقی تصور می‌کنند. اما دانشمندان ارتعاش را در مقیاس کوچک‌تری - حتی در حد اتمی - در نظر می‌گیرند.

برای اولین بار در این زمینه، محققان کالج مهندسی گرینگر در دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین از فناوری تصویربرداری پیشرفته برای مشاهده مستقیم شاخه‌ای از فیزیک ارتعاشی که قبلاً پنهان بود در مواد دوبعدی استفاده کرده‌اند. یافته‌های آنها که در مجله Science منتشر شده است، وجود دسته‌ای از حالت‌های ارتعاشی را که قبلاً دیده نشده بود، تأیید می‌کند و تصاویری با بالاترین وضوح که تاکنون از یک اتم واحد گرفته شده است را ارائه می‌دهد.

مواد دوبعدی کاندیدای امیدوارکننده‌ای برای نسل بعدی الکترونیک هستند، زیرا می‌توان آنها را با حفظ خواص الکترونیکی مطلوب، تا ضخامت تنها چند اتم کوچک کرد. مسیری برای رسیدن به این دستگاه‌های الکترونیکی جدید در سطح اتمی و با ایجاد سیستم‌های به اصطلاح Moiré - توده‌هایی از مواد دوبعدی که شبکه‌های آنها به دلایلی مانند پیچش لایه‌های اتمی با هم مطابقت ندارند - قرار دارد.

فونون‌های مویر، مد‌های ارتعاشی با فرکانس پایین هستند که مختص مواد دولایه دوبعدی پیچ‌خورده می‌باشند. از آنجا که گرما نتیجه الگو‌های ارتعاشی است، بررسی الگو‌های مختلف در بین فونون‌ها می‌تواند به دانشمندان در درک بهتر بیان گرما کمک کند. مانند فونون‌ها، فاسون‌ها مد‌های ارتعاشی مرتبط با حرکت اتمی هستند و تصور می‌شود که برخی از خواص منحصر‌به‌فرد و مطلوب مشاهده شده در مواد دوبعدی پیچ‌خورده را توضیح می‌دهند. اما تاکنون، فاسون‌ها در مواد دوبعدی از مشاهده مستقیم اجتناب می‌کردند و پیش‌بینی‌ها در مورد وجود آنها صرفاً فرضی بود.

پینشان هوانگ، استاد علوم و مهندسی مواد و نویسنده ارشد این مقاله، گفت: «شما نمی‌توانید به راحتی از شر فاسون‌ها خلاص شوید؛ این هم نعمت است و هم نفرین. آنها همیشه بدون اینکه شناسایی شوند، وجود داشته‌اند و خواص مواد مویر دوبعدی را تغییر می‌دهند.»

علاقه هوانگ به میکروسکوپ الکترونی این سوال را مطرح کرد: آیا می‌توان از پیشرفت‌های جدید در فناوری تصویربرداری برای تجسم حالت‌های ارتعاشی موضعی مانند فاسون‌ها استفاده کرد؟ برای بررسی این احتمال، هوانگ با ییچائو ژانگ، که در آن زمان یک محقق پسادکترا در زمینه انتقال حرارت در مقیاس نانو و نویسنده اصلی این مطالعه بود، همکاری کرد.

هوانگ گفت: «هدف اصلی ما دیدن گرما با نگاه کردن به یک اتم بود. این کار با دستیابی به چنان وضوح فضایی بالایی انجام می‌شود که ارتعاشات اتم‌ها، میزان تار بودن اتم‌ها را تغییر می‌دهد. این حرکات بسیار کوچک هستند و ما به معنای واقعی کلمه قادریم به طور همزمان به یک اتم نگاه کنیم و ببینیم که چگونه به دلیل گرما حرکت می‌کنند.»

برای به دست آوردن این تصاویر، تیم تحقیقاتی به پتیکوگرافی الکترونی، تکنیکی که اخیراً توسعه یافته و وضوح میکروسکوپ‌های موجود را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد، تکیه کردند. با دستیابی به وضوح مکانی در مقیاس پیکومتر، محققان مستقیماً ارتعاشات حرارتی را در اتم‌های WSe۲ دولایه پیچ خورده مشاهده کردند.

هوانگ گفت: «در آغاز کارم، بالاترین وضوحی که فکر می‌کردیم ممکن است کمی کمتر از یک آنگستروم بود. اما وقتی پتیکوگرافی چند سال پیش رواج پیدا کرد، ما شروع به دیدن اعدادی به کوچکی ۰.۲ آنگستروم کردیم. این باعث شد فکر کنیم، 'هی، گرما اتم‌ها را تقریباً ۰.۰۵ آنگستروم می‌لرزاند. ' توانایی دیدن گرما یکی از نمونه‌هایی است که نشان می‌دهد چگونه یک جهش عظیم در وضوح، اساساً توانایی میکروسکوپ‌ها را تغییر می‌دهد.»

مهندسان دانشگاه ایلینوی گرینجر آینده‌ای را پیش‌بینی می‌کنند که در آن می‌توان از فازون‌ها برای ساخت قطعات الکترونیکی با عملکرد متفاوت نسبت به نمونه‌های فعلی استفاده کرد.

ژانگ گفت: «یکی از کاربرد‌های بالقوه این تکنیک، ساخت موادی است که رسانای حرارتی بهتری هستند. ما می‌توانیم به یک اتم واحد نگاه کنیم و نقصی را که مانع از خنک شدن مؤثرتر ماده می‌شود، شناسایی کنیم. این می‌تواند به تکنیک‌های مدیریت حرارتی بهتر در مقیاس اتمی منجر شود. بررسی تک تک اتم‌ها و نحوه واکنش آنها به ارتعاشات حرارتی، این نوع دانش بنیادی را به ما می‌دهد.»