ارزیابی ساختار و ترکیب شیمیایی ذرات کوچکتر از یک میلیاردم متر

محققان مؤسسه فناوری توکیو ژاپن (Tokyo Institute of Technology) روش جدیدی را توسعه داده‌اند که ارزیابی ساختار و ترکیب شیمیایی ذرات فلزی با قطری تنها ۰/۵ تا ۲ نانومتر را امکانپذیر می‌کند. با توجه به پیشرفت حاصله در روش‌های آنالیزی، امکان توسعه‌ی مواد بسیار ریز برای استفاده در حوزه‌های شیمی، الکترونیک، زیست پزشکی و ... فراهم خواهد شد.

آنالیز و توسعه مواد جدید، فناوری‌های نوآورانه نامحدودی را در اختیار ما قرار می‌دهد و در بسیاری از حوزه‌های علمی، از مهندسی زیستی و پزشکی گرفته تا الکترونیک پیشرفته حایز اهمیت است. طراحی کاربردی و همچنین آنالیز مواد جدید نانومقیاس در غلبه بر محدودیت‌های روش‌ها و دستگاه‌های قبلی برای دستیابی به قابلیت‌های جدید کمک خواهد کرد.

از جمله این مواد می‌توان به نانوذرات فلزی اشاره کرد که به دلیل وسعت کاربردهای نویدبخش، به شدت در تحقیقات اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. یک روش سنتز جدید توسعه یافته که شامل استفاده از مولکول‌های دندریمر به عنوان تمپلیت است، دانشمندان را قادر می‌سازد نانوکریستال‌های فلزی با قطر ۰/۵ تا ۲ نانومتر تولید کنند. این ذرات فوق‌العاده کوچک که تحت عنوان کلاسترهای کوچک‌تر از نانو (subnano clusters, SNCs) شناخته می‌شوند، دارای ویژگی‌های کاملاً متمایزی مانند نمایش پدیده‌های کوانتومی غیرمعمول هستند که نسبت به تغییرات در تعداد اتم‌های تشکیل دهنده کلاسترها بسیار حساس بوده و به عنوان کاتالیزورهای خاص برای واکنش‌های (الکترو) شیمیایی استفاده می‌شوند.

متأسفانه روش‌های آنالیزی متداول که برای ارزیابی ساختار مواد و ذرات نانومقیاس استفاده می‌شوند برای بررسی SNCs مناسب نیستند. طیف سنجی رامان یکی از این روش‌های متداول است که در آن نمونه تحت تابش لیزر قرار داده می‌شود و طیف‌های پراکنده حاصله برای شناسایی اجزای ماده، مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. گرچه طیف سنجی رامان متداول به عنوان ابزار مفیدی در خدمت دانشمندان و محققان بوده اما به دلیل حساسیت بسیارکم نمی‌تواند برای آنالیز SNCs استفاده شود.

در این خصوص و برای رفع این چالش، تیمی از محققان مؤسسه فناوری توکیو متشکل از دکترKuzume ، پروفسور Yamamoto و همکارانشان، به توسعه روشی برای بهبود اندازه گیری‌های طیف سنجی رامان پرداختند که امکان ارزیابی و بررسی SNCs را امکانپذیر نماید. طیف سنجی رامان تقویت یافته سطحی (Surface-enhanced Raman spectroscopy) نوع خاصی از طیف سنجی رامان است که در آن برای تقویت سیگنال‌های نوری و در نتیجه افزایش میزان حساسیت روش، نانوذرات طلا و یا نقره در یک پوسته سیلیکایی نازک و بی‌اثر احاطه شده و با نمونه مخلوط می‌شوند.

در ابتدا این تیم تحقیقاتی بر روی تئوری تعیین اندازه و ترکیب بهینه نانوذرات متمرکز شدند، جاییکه آمپلی‌فایرهای نوری نقره ۱۰۰ نانومتری (تقریباً دو برابر اندازه متداول مورد استفاده) می‌توانند سیگنال‌های SNCs متصل به پوسته سیلیکای متخلخل را به طور قابل توجهی تقویت کنند. طبق گفته Yamamoto یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی، این روش طیف سنجی سیگنال‌های رامان را به طور انتخابی از موادی ایجاد می‌کند که در نزدیکی سطح آمپلی‌فایرهای نوری قرار دارند.

اعضای این تیم تحقیقاتی برای آزمایش یافته‌های خود، طیف رامان SNCs اکسید قلع را اندازه گیری کردند تا بررسی کنند آیا می‌توان توضیحی در ترکیب ساختاری یا شیمیایی مواد برای فعالیت کاتالیزوری غیر قابل توضیح بالا در واکنش‌های شیمیایی خاص یافت. هنگامی که محققان اندازه گیری‌های رامان خود را با آنالیزهای نظری و شبیه سازی ساختاری مقایسه کردند، به درک جدیدی از ترکیب ساختاری SNCs اکسید قلع رسیدند که منشأ فعالیت کاتالیزوری خاص وابسته به SNCs اتمی اکسید قلع را توضیح می‌دهد. نوآوری‌هایی مانند آنچه که توسط این تیم تحقیقاتی ارائه شده، می‌تواند برای گسترش دامنه کاربرد SNCs در زمینه‌های مختلف از جمله حسگرهای زیستی، الکترونیک و کاتالیزورها مفید باشد.