لقد تعلم الفيزيائيون التحكم في نمو الجسيمات النانوية

تخيل أن العلماء يجمعون المواد كمجموعة بناء، حيث يمكن “ترتيب” الخصائص: مما يجعل الجسيمات أصغر أو أكبر. وبطبيعة الحال، في المقياس النانوي لا يتم الأمر بهذه البساطة: في بعض الأحيان يؤدي اختلاف بضعة نانومترات فقط إلى تغيير سلوك المادة تمامًا. طور العلماء في الجامعة الفيدرالية الجنوبية طريقة للتوليف المتحكم فيه لجسيمات فلوريد اللانثانم النانوية المضيئة والمطعمة بعناصر أرضية نادرة. ببساطة، تعلم الباحثون تنمية جسيمات نانوية مضيئة ذات خصائص محددة مسبقًا والتحكم في خصائصها مباشرة أثناء عملية التخليق. ونتيجة لذلك، أصبح من الممكن الحصول على منشورات نانوية سداسية متجانسة يتراوح حجمها من ثلاثة إلى 100 نانومتر ومعرفة كيفية تغيير معلماتها من خلال شروط الحصول على المادة. ونشرت نتائج البحث في مجلة المواد اليوم نانو. وفقًا للباحثين، تعد هذه المواد واعدة بشكل خاص في الطب الحيوي، وأجهزة الاستشعار، وكاشفات التلألؤ، والأجهزة الضوئية. على سبيل المثال، يمكن استخدام الجسيمات النانوية التي يتراوح حجمها بين 10 و30 نانومتر كعلامات مضيئة أو أدوات وميض نانوية للكشف عن إشعاع الأشعة السينية. لكن الحصول على جسيمات نانوية بحجم معين يعد مهمة صعبة. إنهم حساسون للغاية حتى لأدنى التغيرات في الظروف. وقال أوليغ بولوجينتسيف: “حتى التغيرات الصغيرة في درجة الحرارة أو تركيز الكواشف أو معدل إضافتها تؤثر بشكل كبير على معدل النمو ويمكن أن تسبب نواة “متفجرة” لجسيمات جديدة بدلا من النمو الموحد للجسيمات الموجودة”. من الصعب بشكل خاص التحكم في الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 3 و30 نانومتر. في هذا النطاق يمكن أن يتغير التركيب الإلكتروني للمادة، ويزداد النشاط الكيميائي، ويتم تحديد الخصائص بالفعل ليس من خلال حجم المادة بقدر ما يتم تحديدها من خلال سطح الجزيئات. يطلق العلماء على النطاق الذي يتراوح بين 3 و100 نانومتر اسم “البقعة المثالية” للمواد النانوية. تصل التأثيرات الكمومية إلى 10 نانومتر بشكل خاص، وفي نطاق 10-100 نانومتر، يحدث التوازن الأمثل بين التلألؤ والخصائص المغناطيسية والاستقرار. لمعرفة كيفية التحكم في نمو الجسيمات، قام الباحثون بتغيير العديد من معلمات التوليف في وقت واحد: درجة حرارة التفاعل، ودرجة الحموضة للمحلول، ونوع المذيب، وتركيز الكواشف والمواد الخافضة للتوتر السطحي. ويشير أوليغ بولوجينتسيف إلى أن “ظروف درجة الحرارة، والوقت، وتركيزات الكواشف والمواد الخافضة للتوتر السطحي، بالإضافة إلى سرعات التغذية والخلط هي “المقابض” الرئيسية التي يمكن استخدامها لتحديد حجم الجسيمات النانوية بدقة”. أوليغ بولوجينتسيف – دكتوراه، باحث رائد في مختبر الأبحاث الدولي للمواد النانوية الوظيفية، MII SFU / © الأرشيف الشخصي لمركز الاتصالات العامة في SFU أثناء عملهم، وجد العلماء أن زيادة درجة الحرارة تزيد من أحجام الجسيمات، لكن النمو لا يستمر إلى أجل غير مسمى. بعد مرور بعض الوقت، يستقر النظام، ولمزيد من النمو، من الضروري تغيير شروط التوليف مرة أخرى – على سبيل المثال، زيادة درجة الحرارة أو ضبط حموضة الوسط. وأظهرت الدراسة أن حجم الجسيمات، وكذلك نوع وتركيز المنشطات، يؤثر بشكل مباشر على خصائص المادة: مع المنشطات المثالية، تظهر الجسيمات النانوية الأكبر تألقًا أكثر سطوعًا، بينما تعمل الأحجام الأصغر على تحسين النشاط التحفيزي والبيولوجي. ويؤكد الباحث: “من الممكن تغيير الخصائص البصرية والمغناطيسية والحفزية بشكل مقصود ببساطة عن طريق اختيار حجم الجسيم المطلوب”. تمثيل تخطيطي لآلية نمو المنشورات النانوية السداسية LaF3 المشبعة بأيونات Ln3+ ذات الحجم المتحكم فيه، مما يوضح مورفولوجيا الجسيمات الناتجة وتغييرات الحجم واعتماد متوسط ​​حجم الجسيم على معلمات التوليف / أرشيف شخصي لأوليج بولوجينتسيف لتعزيز تألق الجزيئات متناهية الصغر، اقترح العلماء بنية “القشرة الأساسية”. يوجد داخل هذه الجسيمات النانوية قلب مضيء نشط، وفي الأعلى يوجد غلاف واقي. وأشار أوليغ بولوجينتسيف إلى أن “القشرة تساعد على قمع القنوات غير الإشعاعية، وتقلل من نقل الطاقة إلى السطح وتزيد من العائد الكمي للتلألؤ”. بالإضافة إلى ذلك، قام العلماء بدراسة تأثير الحجم على الخواص التحفيزية للجسيمات. على الرغم من أن العمل لا يرتبط بشكل مباشر بالطاقة الهيدروجينية، إلا أن الباحثين لاحظوا أن النهج المتبع للتحكم في حجم وبنية الجسيمات النانوية يمكن أن يكون مفيدًا في إنشاء أنظمة تحفيز ضوئي وكهربائي جديدة. تم تطوير الطريقة واختبارها على مركبات اللانثانم، وهي واحدة من أكثر المواد الواعدة للضوئيات بسبب خصائصها البصرية وقدرتها على التفاعل بفعالية مع الأيونات الأرضية النادرة. علاوة على ذلك، يمكن تكييف النهج المقترح مع المواد الأرضية النادرة الأخرى – الفلوريدات والأكاسيد والأوكسيفلوريدات المستخدمة في الضوئيات الحديثة وتقنيات النانو.