دانشمندان چگونه دانه‌های برف فلزی ساختند؟

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، اگر با دقت به دانه‌های برف نگاه کنید یک شبکه غول‌پیکر بی‌نظیر را مشاهده خواهید کرد که رشد آن تحت تأثیر شرایط محیطی مانند دما و رطوبت است. به تازگی محققان با انجام آزمایشاتی نشان دادند که این نوع خودآرایی پیچیده می‌تواند در فلزات نیز رخ دهد.

نیکولا گاستون و همکارانش در مؤسسه مواد پیشرفته و نانوتکنولوژی مک دیارمید دانشگاه اوکلند موفق شدند  فلزات را به شکل دانه‌های برف کوچک، مکعب، میله و اشکال دیگر پرورش داده اند. نانوکریستال‌ها مانند برف از یک فلز مایع تشکیل می‌شوند و یک روش بالقوه جدید برای ساخت ساختار‌های نانومقیاس را نشان می‌دهند.

گاستون نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: چنین دانه‌های برفی فلزی می‌توانند برای کاتالیزور واکنش‌های شیمیایی و ساخت الکترونیک مفید باشند. خودآرایی راهی است که طبیعت نانوساختار‌ها را می‌سازد. ما سعی می‌کنیم یاد بگیریم با استفاده از خودآرایی کار‌های مشابه را انجام دهیم.» فهمیدن اینکه چگونه می‌توان اشکال فلزی ریز و پیچیده را با فرآیندی ساده و مصرف انرژی کمتر ساخت، می‌تواند برای تولیدکنندگان یک موهبت بزرگ باشد.

این گروه از پژوهشگران مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با استفاده از گالیوم که یک فلز جذاب با نقطه ذوب پایین، (درست کمتر از ۳۰ درجه سانتی‌گراد (۸۶ درجه فارنهایت)) انجام داد. درواقع گالیم در دمای یک روز تابستانی یا حتی نگه داشتن آن در دست به شکل مایع در می‌آید. محققان با مخلوط کردن گالیم با فلزات دیگری مانند روی، نیکل، مس، قلع، پلاتین، بیسموت، نقره و آلومینیوم آلیاژ‌های مختلفی ساختند و پویایی کریستال‌های تشکیل‌شده را مشاهده کردند.
فلزات در دمای بالا مخلوط شدند، بنابراین هر دو فلز به شکل مایع بودند، سپس آلیاژ‌ها در دمای اتاق تا حدی خنک شدند، در این حالت فلز ثانویه به حالت جامد درآمد در حالی که گالیم هنوز مایع باقی مانده بود. این باعث شد که فلز جامد  روی گالیم مایع رسوب کند و بسته به نوع فلز، به شکل‌های مختلف متبلور شود؛ که شامل مکعب ها، میله ها، هشت وجهی‌ها و صفحات شش ضلعی و مستطیلی بود.
اما رفتار آلیاژ روی و گالیم نسبت به سایر آلیاژ‌ها عجیب‌ترین بود و ساختار‌های متقارن و شش ضلعی را تشکیل داد که شبیه به دانه‌های برف بود. با بررسی دقیق‌تر، محققان دریافتند که برهم‌کنش‌های اتمی خاص بین گالیم و فلزات مختلف باعث شکل‌گیری اشکال کریستالی مختلف شده است. برای مثال، در مورد روی، هر اتم با شش همسایه به شکلی شبیه دانه‌های برف احاطه شده است. به نظر می‌رسد ترتیب شل اتم‌های گالیوم، روی متبلورکننده را وادار می‌کند تا به ساختار‌های متقارن و شش ضلعی شبیه دانه‌های برف طبیعی و اشکال دیگر شکوفا شود. گاستون می‌گوید این تا حدودی شبیه این است که یک سینی میوه، به میوه‌های چیده شده در داخلش نظم دهد.

محققان گالیوم را به دلیل نقطه ذوب نسبتا پایین، توانایی در حل بسیاری از فلزات دیگر و تمایل اتم‌های آن به سازماندهی ضعیف در حالت مایع، به عنوان محیط رشد انتخاب کردند.

آینده ممکن است برای تحقیق در مورد کاربرد‌های گالیم و سایر فلزات مایع با دمای پایین امیدوارکننده باشد. این پژوهش فقط به خاطر ساختن دانه‌های برف فلزی کوچک اهمیت ندارد. بلکه محققان می‌گویند از این روش می‌توان برای ساخت نانوذرات با اشکال مختلف برای استفاده در الکترونیک یا ساخت مواد استفاده کرد.

پروفسور نیکولا گاستون، می‌گوید: «برخلاف رویکرد‌های بالا به پایین برای تشکیل نانوساختار - با برش مواد - این رویکرد از پایین به بالا متکی به خودآرایی اتم‌ها است. طبیعت اینگونه است که نانوذرات را می‌سازد و نسبت به روش‌های از بالا به پایین، ضایعات کمتری دارد و بسیار دقیق‌تر است. همچنین چیزی بسیار جالب در ایجاد یک دانه برف فلزی وجود دارد!»

این تحقیق در مجله Science منتشر شده است.