به گزارش ایسنا، به نقل از ستاد توسعه نانو، نتایج یک پژوهش تازه نشان میدهد یکی از شناختهشدهترین فیلمهای نازک مبتنی بر چارچوبهای آلی فلزی (Metal-Organic Frameworks یا MOFs)، برخلاف آنچه سالها در مقالات علمی مطرح شده بود، ساختاری متراکم و فاقد تخلخل دارد. این یافته میتواند نگاه پژوهشگران به ویژگیها و کاربردهای این دسته از مواد را بهطور اساسی تغییر دهد و زمینهساز توسعه فناوریهای نوین در حوزه حسگرها، ریزالکترونیک و ذخیرهسازی مغناطیسی شود.
چارچوبهای آلی فلزی به دلیل برخورداری از تخلخل بسیار زیاد، در سالهای اخیر به یکی از مهمترین مواد پیشرفته در علوم مواد تبدیل شدهاند. این مواد بهدلیل شبکههای سهبعدی منظم و حفرههای فراوان، برای ذخیرهسازی گازها، جذب دیاکسید کربن، جداسازی مواد شیمیایی و همچنین انتقال هدفمند داروها مورد توجه گسترده قرار گرفتهاند. اهمیت این خانواده از مواد تا آنجا افزایش یافته که کشف آنها در سال ۲۰۲۵ جایزه نوبل شیمی را برای پژوهشگران این حوزه به ارمغان آورد.
با وجود پیشرفتهای فراوان در مطالعه بلورهای بزرگ چارچوبهای آلی فلزی، ساختار فیلمهای نازک این مواد همچنان ناشناخته باقی مانده بود. این در حالی است که شناخت دقیق ساختار، نقش تعیینکنندهای در پیشبینی خواص فیزیکی و شیمیایی و همچنین طراحی کاربردهای صنعتی آنها دارد.
اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی رولاند رزل (Roland Resel) و اگبرت زویِر (Egbert Zojer) از مؤسسه فیزیک حالت جامد دانشگاه صنعتی گراتس (Graz University of Technology)، با همکاری پژوهشگرانی از مؤسسه شیمی فیزیکی و نظری این دانشگاه و همچنین مؤسسه فناوری کارلسروهه (Karlsruhe Institute of Technology)، موفق شدهاند این معما را حل کنند.
نتایج این پژوهش در نشریه تخصصی Advanced Functional Materials منتشر شده است.
پژوهشگران در این مطالعه، فیلم نازک مس بنزن دیکربوکسیلات (Cu(bdc)) را که یکی از پرکاربردترین نمونههای چارچوبهای فلزی ـ آلی به شمار میرود، بهعنوان نمونه مورد بررسی قرار دادند. بررسیها نشان داد هیچیک از مدلهای ساختاری که تاکنون برای این ماده ارائه شده بود، با واقعیت مطابقت ندارد. در مقابل، آنها ساختار تازهای را شناسایی کردند که تمامی ویژگیهای مشاهدهشده این فیلم نازک را توضیح میدهد.
شگفتآورترین نتیجه این تحقیق آن است که فیلم نازک Cu(bdc) برخلاف انتظار، اصلاً متخلخل نیست. این موضوع با باور رایج درباره چارچوبهای آلی فلزی که همواره بهعنوان موادی بسیار متخلخل شناخته میشوند، در تضاد کامل قرار دارد.
اگبرت زویِر در اینباره گفت: نتایج پژوهش ما نشان میدهد بسیاری از مدلهای ساختاری منتشرشده درباره فیلمهای نازک چارچوبهای فلزی ـ آلی ممکن است نادرست باشند و لازم است دوباره مورد ارزیابی قرار گیرند.
این دستاورد با ترکیب شبیهسازیهای پیچیده مکانیک کوانتومی و یک روش پیشرفته اندازهگیری به نام پراش پرتو ایکس با تابش مایل و چرخشی (Rotating Grazing-Incidence X-ray Diffraction) حاصل شد. این آزمایشها در مرکز تابش سینکروترون الترا (Elettra) در شهر تریسته ایتالیا انجام شده است.
برخلاف روشهای متداول که تنها اطلاعات محدودی از آرایش بلوری ماده در یک جهت مشخص ارائه میکنند، این فناوری تصویری تقریباً کامل از تناوب ساختار بلوری فیلم نازک در اختیار پژوهشگران قرار میدهد. پژوهشگران سپس دادههای بهدستآمده را با شبیهسازیهای کوانتومی و اندازهگیری چگالی فیلم از طریق بازتابسنجی پرتو ایکس ترکیب کردند. این فرایند به آنها اجازه داد مدلهای ساختاری پیشین را یکی پس از دیگری کنار بگذارند و در نهایت ساختار واقعی ماده را شناسایی کنند.
نتایج این مطالعه نشان میدهد فیلم نازک Cu(bdc) بهجای داشتن شبکهای پر از حفره، ساختاری بسیار متراکم دارد و علاوه بر آن، دارای گروههای هیدروکسید اضافی است؛ گروههایی که در اغلب مدلهای ساختاری پیشین نادیده گرفته شده بودند.
این ساختار جدید بسیاری از رفتارهای مشاهدهشده در سالهای گذشته را نیز توضیح میدهد. از جمله اینکه چرا این فیلمها توانایی بسیار کمی در جذب مولکولهای مهمان دارند، چرا در برابر آب پایداری بسیار بالایی از خود نشان میدهند و چگونه میتوانند خواص مغناطیسی ویژهای داشته باشند که با مدلهای قدیمی قابل توجیه نبود.
به گفته پژوهشگران، کشف ساختار غیرمتخلخل این فیلم نازک تنها یک اصلاح علمی نیست، بلکه افقهای تازهای را برای کاربردهای آینده آن باز میکند. این ساختار علاوه بر افزایش پایداری شیمیایی ماده، وجود حالت پایه فرومغناطیسی را نیز تأیید میکند؛ ویژگیای که میتواند استفاده از این فیلمها را در ساخت حسگرهای پیشرفته، تجهیزات ریزالکترونیکی و سامانههای ذخیرهسازی اطلاعات مغناطیسی امکانپذیر کند.
از سوی دیگر، پژوهشگران اعلام کردهاند که ساختار تازه کشفشده دارای لایههایی از اکسید مس است که از نظر آرایش اتمی شباهت قابل توجهی به برخی ابررساناهای دمای بالا دارد. این ویژگی میتواند زمینهساز پژوهشهای تازهای برای بررسی قابلیتهای الکترونیکی و مغناطیسی این مواد در آینده باشد.
اگبرت زویِر در پایان تأکید کرد: پژوهش ما نشان داد دستیابی به تصویری دقیق از ساختار فیلمهای نازک چارچوبهای فلزی ـ آلی تنها با ترکیب روشهای نوین پراش پرتو ایکس و مدلسازیهای نظری امکانپذیر است. فناوریهای توسعهیافته در دانشگاه صنعتی گراتس و نرمافزارهای تحلیل دادههای سینکروترونی، ابزار قدرتمندی برای رمزگشایی ساختار سایر فیلمهای نازک این خانواده از مواد فراهم کردهاند و میتوانند راه را برای توسعه کاربردهای جدید در حوزه حسگرها و ریزالکترونیک هموار کنند.
انتهای پیام
