حجم (الجزيئات) يحدد (خصائصها البصرية)

"يقول الدكتور دان أورون، الذي انضم مؤخراً إلى قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم: "إذا كسرنا عملة ذهبية إلى نصفين، فإن الجزأين سيكون لهما نفس الخصائص الأساسية للعملة الأصلية. يختلف الوضع تمامًا عندما يتعلق الأمر بجسيم الذهب الذي لا يتجاوز حجمه بضعة آلاف من الذرات. وفي هذه الحالة، من بين أمور أخرى، فإن لون الأجزاء التي تنكسر منه سيكون مختلفًا عن لون الجسيم بأكمله."

نرى اللون عندما تمتص الأجسام أشعة الضوء أو تنعكس عنها، لكن عندما يتعلق الأمر بالأجسام التي لا يتجاوز حجمها الطول الموجي للضوء، تحدث ظواهر غريبة. في الواقع، عندما ننتقل إلى الأبعاد النانوية (جزء من مليار من المتر)، فإن معظم خصائص المواد التي نعرفها تتغير بشكل كبير.

يدرس الدكتور أورون خصائص البلورات النانوية. يسعى إلى فهم القوانين التي تحكم خصائص قطع المادة بحجم جزيء البروتين، أكثر أو أقل، ويتعلم كيفية تطبيق قوانينها وخصائصها. "لقد أعطتنا الكيمياء غير العضوية التقليدية عددًا محدودًا من الآليات لإنشاء مواد جديدة - وذلك بشكل رئيسي عن طريق تغيير التركيب الكيميائي والبنية البلورية للمادة. ويقول: "الجسيمات النانوية، التي تعتمد خصائصها أيضًا على الحجم والشكل والبنية المكانية، قد تفتح لنا إمكانية إنشاء مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد ذات الخصائص التي لا يمكن تحقيقها بوسائل أخرى".

نظرة سريعة على اثنين من أعمال الدكتور أورون الأخيرة توضح الاستخدامات العديدة الممكنة للجسيمات النانوية: في أحدهما، يقوم بإنشاء جسيمات نانوية فريدة قادرة على إلقاء الضوء على الجزيئات تحت المجهر؛ وفي الحالة الثانية، تشكل الجسيمات النانوية الأساس لنوع جديد من مجمعات الإشعاع الشمسي.

جسيمات دكتور أورون النانوية هي أشباه موصلات. عندما يتم إزعاجهم، على سبيل المثال، من خلال تأثير الفوتون (جسيم الضوء)، يحدث إثارة قصيرة للإلكترون، بحيث يبقى "ثقب" بشحنة موجبة في المادة. وعندما يعود الإلكترون المثار إلى الثقب، ينبعث ضوء ذو لون معين. وماذا يحدث عندما تسبب إثارة إلكترونين في جسيم نانوي واحد؟ هل تؤثر الشحنات الكهربائية الموجودة داخل البلورات النانوية على بعضها البعض؟ هل يجذبون أو ربما يتنافرون؟ اكتشف الدكتور أورون أنه من الممكن إحداث تنافر قوي عن طريق إضافة عدة ذرات من عنصر آخر إلى الجسيمات النانوية. تخلق هذه الإضافة نوعًا من "القفص" الذي يلتقط شحنة موجبة واحدة، وبالتالي يصد الشحنة الأخرى. في هذه الحالة، يغير الضوء المنبعث من الجسيم لونه. في المجاهر، يمكن استخدام الجسيمات النانوية التي تغير لونها لوضع العلامات. اليوم، لغرض التصوير ثلاثي الأبعاد، من المعتاد استخدام نوع معين من المجاهر التي تعتمد على الامتصاص المتزامن لفوتونين بواسطة علامة متصلة بالجسم المستهدف - خلية أو بروتين.

بعد ذلك، تصدر العلامة شرارة قصيرة من الضوء. قد يكون الضوء المنبعث في مثل هذه العملية من الجسيمات النانوية الصغيرة، المرتبطة بالخلايا أو البروتينات، أكثر استقرارًا وموثوقية. بالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة على تصميم جسيم نانوي ينبعث ضوءًا من لون واحد عندما يضربه الفوتون الأول، وضوءًا من لون مختلف عند حدوث الضربة الثانية، يسمح باستخدام كلا اللونين بتحسين قدرة المجهر على الفصل. هناك احتمال آخر، والذي سيؤدي أيضًا إلى تحسين مماثل، وهو تصميم جسيم ينثر الضوء فقط عندما يضربه الفوتونان في نفس الوقت، وهي ظاهرة تُعرف باسم التشتت غير الخطي.

يقول الدكتور أورون: «إن التحدي في إنتاج مثل هذه العلامات الصغيرة هو الحاجة إلى التحكم في عملية الإنتاج للوصول إلى البنية اللازمة من ناحية، والحاجة إلى اكتشاف الإشارات الضوئية الضعيفة للغاية من ناحية أخرى. ومع ذلك، من خلال التخطيط السليم، من الممكن، على سبيل المثال، التغلب على الانخفاض في قدرة الجسيمات النانوية على تشتيت الضوء مع انخفاض حجمها. وقد أدى هذا التخطيط مؤخرًا إلى إنشاء أصغر جسيم نانوي حتى الآن - لا يتجاوز حجمه 15 نانومترًا - والذي يمكن من خلاله قياس تشتت الضوء غير الخطي. ويقول: "لقد تمكنا من العثور على نقطة معينة تعمل فيها بشكل أفضل بعشر مرات مقارنة بكتلة كبيرة من المادة من نفس النوع".

من ناحية أخرى، لا تعتمد أبحاث الخلايا الشمسية التي أجراها الدكتور أورون على قدرة الجسيمات النانوية على بعث الضوء، بل على قدرتها على امتصاص الضوء. يعتمد الجيل الثالث من مجمعات الضوء، والتي تستخدم حاليا في الخلايا الشمسية الرخيصة، على الأصباغ العضوية (على عكس الخلايا الباهظة الثمن المصنوعة من السيليكون). والمطلوب من هذه الخلايا أداء مهمة صعبة: امتصاص كميات كبيرة من الضوء في نطاق واسع من الأطوال الموجية، ليفصل الإلكترون المثير عن "الفجوة" التي يتركها، ومن ثم يستعيد إلكترونًا مرة أخرى، في عملية تكرر نفسها مرارًا وتكرارًا. معظم الأصباغ العضوية قادرة على فصل الشحنات بشكل جيد، لكنها محدودة في نطاق الألوان التي تمتصها وفي استقرارها الكيميائي. ومن ناحية أخرى، فإن جسيمات أشباه الموصلات النانوية قادرة على امتصاص ضوء الشمس في معظم الأطوال الموجية المرئية، لكنها ليست فعالة بشكل خاص في فصل الشحنات، وقد توصل الدكتور أورون بالتعاون مع الدكتور آري تسافان من جامعة بار إيلان إلى الفكرة. من تقسيم العمل. لقد ابتكروا أجهزة مجهرية حيث تعمل الجسيمات النانوية كنوع من الهوائيات، التي توجه الطاقة الشمسية إلى جزيئات الطلاء، حيث يتم فصل الشحنات. يعتقد الدكتور أورون أنه بعد عدة تحسينات، قد تكون مجمعات الطاقة الشمسية المتكاملة فعالة للغاية.

شخصي

ولد الدكتور دان أورون في رحوفوت عام 1974 ونشأ بالقرب من معهد وايزمان للعلوم. يقول: "قضيت الكثير من الوقت في المعهد، ومنذ سن الحادية عشرة شاركت في فصول مختلفة في وحدة عمليات الشباب". حصل على درجتي البكالوريوس والماجستير ضمن برنامج "تلفيوت". في العمل البحثي للحصول على درجة الماجستير في جامعة بن غوريون، درس أورون فيزياء الأربول. تم إجراء بحث الدكتوراه الخاص به في التحليل الطيفي باستخدام نبضات قصيرة من الضوء في مجموعة البروفيسور يارون زيلبربيرج في معهد وايزمان للعلوم. في بحث ما بعد الدكتوراه، في مختبر البروفيسور أوري بنين في الجامعة العبرية في القدس، بدأ الدكتور أورون العمل مع الجسيمات النانوية. وفي عام 11 انضم إلى معهد وايزمان للعلوم كباحث كبير. الدكتور دان أورون متزوج من روثي، وهو والد هيلا البالغة من العمر 2007 سنوات.