ليس لدى العلماء اليوم أي مشكلة في صنع مجموعة متنوعة من الأجسام النانومترية - الأسلاك والأنابيب والشرائط وحتى الأشكال الشبيهة بالأشجار. ومع ذلك، في بعض الأحيان يفشلون في شرح كيفية تشكل هذه الهياكل بالضبط في البيئة السائلة أو الغازية التي يتم الحصول عليها فيها.
الآن، أفاد فريق بحثي بقيادة الكيميائي سونغ جين من جامعة ويسكونسن، في مقال نشر في مجلة ساينس العلمية المرموقة، أن عيبًا بسيطًا في البلورة يُعرف باسم "الخلع اللولبي" هو ما يدفع نمو التجاويف المجوفة أنابيب نانوية من أكسيد الزنك بسماكة جزء من المليون من السنتيمتر.
يعد هذا الاكتشاف مهمًا لأنه يوفر رؤية جديدة للعملية التي توجه إنشاء أصغر الهياكل الاصطناعية اليوم، وهو تحدي كبير في علم النانو وتكنولوجيا النانو. يقول الباحث الرئيسي: "نعتقد أن هذا البحث يوفر أساسًا نظريًا واسعًا للتحكم في نمو الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية دون الحاجة إلى محفزات معدنية، وهو أساس يمكن تكييفه مع العديد من المواد".
وقد وجدت هذه المواد والهياكل المصغرة، التي تمكن العلماء من إعدادها، بالفعل عددًا كبيرًا من التطبيقات في مجالات الإلكترونيات والطاقة الشمسية والبطاريات وتقنيات الليزر والاستشعار البيولوجي أو الكيميائي. ومن خلال توسيع النظرية الكامنة وراء تكوين مثل هذه الهياكل الصغيرة، سيكون من الممكن الآن للعلماء تطوير طرق جديدة للإنتاج الصناعي للأجسام النانوية باستخدام مجموعة متنوعة من المواد المختلفة.
وتعتمد الطريقة الجديدة على ما يسميه العلماء خطوة بورجيان. الانحرافات - الانحرافات الملتوية - أساسية لنمو وخصائص جميع المواد البلورية. وكما يوحي الاسم، فإن هذه العيوب تشجع على تكوين شرائح حلزونية، وفي غيابها يتم الحصول على بلورة مثالية. وبمجرد أن "تهبط" الذرات على سطح البلورة، فإنها تشكل هيكلًا يشبه بشكل ملحوظ شكل المنحدرات المتعرجة في هياكل مواقف السيارات متعددة المستويات. وفي دراستهم السابقة، أظهر العلماء أن مثل هذه الحالات الشاذة تدفع نمو هياكل الأسلاك النانوية أحادية البعد التي تشبه أشجار الصنوبر الصغيرة. ويقول الباحث الرئيسي إن هذا يعد دليلًا أساسيًا لفهم حركية النمو المستقل للأنابيب النانوية.
ويوضح الباحث أن مفتاح فهم القدرة على تسخير هذه العيوب لإعداد الهياكل النانوية بطريقة طبيعية هو معرفة أنه عندما تتراكم الذرات بسبب خلل منحني على السطح، يتراكم التوتر في الهياكل الصغيرة المتوسعة. وتبين أن "تشكيل الهياكل المجوفة أو الملتوية هما من أكثر الطرق فعالية لتخفيف هذا التوتر الهيكلي"، كما يوضح الباحث. "في بعض الحالات، وجود طاقة إجهاد كبيرة، والتي تنشأ من الخلل الهيكلي داخل المواد النانوية، يملي تشكيل مستقل للأنابيب النانوية المجوفة حول العيوب."
تختلف الظاهرة التي وصفها علماء جامعة ويسكونسن بشكل أساسي عن الآليات الطبيعية الأخرى لتشكيل الهياكل النانوية المجوفة. واليوم، يستخدم العلماء القوالب لتصميم الأنابيب النانوية، أو كبديل لعمليات الانتشار لتحويل مادة إلى مادة أخرى مجوفة. اليوم، يتم إنتاج أنابيب الكربون النانوية عن طريق طي طبقة واحدة تنغلق على نفسها. ويوضح الباحثون أن الآلية الموصوفة يجب أن تكون مناسبة أيضًا لمواد أخرى غير أكسيد الزنك: "إن فهم تكوين الأنابيب النانوية سيساعدنا بالتأكيد على فهم الظواهر المماثلة في المواد الأخرى".
وفي النهاية، يمكن للمعرفة الجديدة التي تم الحصول عليها أن تساعد في تطوير طرق إنتاج تجارية ورخيصة للمواد النانوية لمجموعة واسعة من التطبيقات. المجال الواعد، كما يقول الباحث الرئيسي، هو مجال الطاقة المتجددة حيث سيكون من الممكن نشر كميات كبيرة من هذه المواد النانوية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، فضلا عن توفير مواد خام جديدة لأقطاب البطاريات، وغيرها من المنتجات الحرارية الإلكترونية. الأجهزة.
