ساخت نانو دوربین با استفاده از چسب مولکولی

ترکیب نانو دوربین ساخته شده از چه موادی است؟

این دستگاه که توسط تیمی از دانشگاه کمبریج ساخته شده است، ترکیبی از نانوکریستال‌های نیمه رسانای کوچک به نام نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا با استفاده از چسب مولکولی به نام cucurbituril (CB) است. هنگامی که مولکول مورد مطالعه به آب اضافه می‌شود، اجزاء در عرض چند ثانیه خود را به یک ابزار پایدار و قدرتمند مونتاژ می‌کنند که امکان نظارت بر زمان واقعی واکنش‌های شیمیایی را فراهم می‌کند.

نحوه کارکرد نانو دوربین و کابردهای آن

دوربین نور را در نیمه هادی‌ها جمع آوری می‌کند و فرآیند‌های انتقال الکترون مانند آنچه در فتوسنتز اتفاق می‌افتد را القا می‌کند که با استفاده از حسگر‌های نانوذرات طلا و تکنیک‌های طیف سنجی کنترل می‌شود. پژوهشگران توانستند از دوربین برای مشاهده گونه‌های شیمیایی که قبلاً در موردشان نظریه پردازی شده بود، اما مستقیماً مشاهده نشده بودند، استفاده کنند. این پلتفرم می‌تواند برای مطالعه طیف وسیعی از مولکول‌ها و انواع برنامه‌های کاربردی بالقوه مانند بهبود فوتوکاتالیز و فوتوولتائیک برای انرژی‌های تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. نتایج این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.

طبیعت مجموعه‌هایی با ساختار‌های پیچیده را در مقیاس مولکولی از طریق فرایند‌های خود محدود کننده کنترل می‌کند. با این حال، تقلید از این فرآیند‌ها در آزمایشگاه معمولاً زمان بر، گران و متکی به روش‌های پیچیده است. پروفسور اورن شرمن از گروه شیمی کمبریج می‌گوید: "به منظور توسعه مواد جدید با خواص برتر، ما اغلب گونه‌های شیمیایی مختلف را با هم ترکیب می‌کنیم تا به یک ماده ترکیبی برسیم که خواص مورد نظر ما را دارد. اما ساخت این نانوساختار‌های ترکیبی دشوار است و شما اغلب با رشد بی رویه یا موادی ناپایدار مواجه می‌شوید."

در روش جدیدی که شرمن و همکارانش در آزمایشگاه کمبریج و کالج دانشگاهی لندن آن را توسعه داده اند، از cucurbituril یا چسب مولکولی که به شدت با نقاط کوانتومی نیمه هادی و نانوذرات طلا تعامل قوی دارد، استفاده شده است. محققان از نانوکریستال‌های نیمه رسانای کوچک برای کنترل مجموعه نانوذرات بزرگتر از طریق ایجاد فرایند تجمع خود محدود کننده سطحی استفاده کردند. این فرآیند منجر به مواد ترکیبی نفوذپذیر و پایدار می‌شود که با نور تعامل دارند. از این دوربین برای مشاهده فوتوکاتالیز و ردیابی انتقال الکترون ناشی از نور استفاده شد.

دکتر کامیل سوکوفوسکی، گفت: "ما از قدرت و مونتاژ ساده این ابزار جدید تعجب کردیم. " دکتر جید مک کون نیز درباره این موضوع می‌گوید: " خاصیت خود محدود کننده واقعا شگفت انگیز بود و انتظار نداشتیم چنین چیزی را ببینیم. ما دریافتیم که تجمع یک جزء نانوذرات را می‌توان با افزودن یک جزء نانوذره دیگر کنترل کرد."

وقتی محققان اجزاء را با هم مخلوط کردند، تیم از طیف سنجی برای مشاهده واکنش‌های شیمیایی در زمان واقعی استفاده کرد. آن‌ها با استفاده از دوربین توانستند شکل گیری گونه‌های رادیکال یک مولکول با یک الکترون جفت نشده و محصولاتی از مجموعه آن‌ها مانند گونه‌های ویولوژن سیگما دیمریک را مشاهده کنند، جایی که دو رادیکال یک پیوند برگشت پذیر کربن-کربن را تشکیل می‌دهند.

اکنون می‌توان با انجام چنین آزمایشی پتانسیل کامل نانوکریستال‌های نیمه رسانا و پلاسمونی را بررسی کرد و فرصتی را برای القا و مشاهده همزمان واکنش‌های فتوشیمیایی فراهم کرد. محققان آزمایشگاه Scherman در حال حاضر برای توسعه بیشتر این هیبرید‌ها به سمت سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی و کاتالیز که در آن فرآیند‌های انتقال الکترون را می‌توان مستقیماً در زمان واقعی مشاهده کرد، رفته اند.

این تیم همچنین در حال بررسی مکانیسم‌های تشکیل پیوند کربن-کربن و واسط الکترود برای کاربرد‌های باتری است. این تحقیق با همکاری پروفسور جرمی بامبرگ در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج و دکتر ادینا روستا در کالج دانشگاهی لندن انجام شد. بودجه این پروژه توسط شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPSRC) تأمین شده است.