کشف اتفاق‌ای شگفت‌انگیز در نانولوله‌های کربنی_غروب شهر

مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN ژاپن با کشفی شگفت‌انگیز، امکان تابش نوری با انرژی زیاد تر از نور جذب‌شده توسط نانولوله‌های کربنی را اثبات کرد. این اتفاق می‌تواند چشم‌انداز فناوری‌های نوری، تصویربرداری زیستی و انرژی‌های تجدیدپذیر را دگرگون کند.

به گزارش ساستینبلیتی تایمز، در پیشرفتی بزرگ در حوزه فوتونیک و نانوفناوری، پژوهشگران مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN ژاپن به رهبری یوئیچیرو کاتو موفق به مشاهده اتفاق‌ای نادر و خلاف انتظار در نانولوله‌های کربنی شدند: تابش نوری با انرژی بالاتر از انرژی جذب‌شده، اتفاق‌ای موسوم به تابش فوتولومینسانس بالابرنده (UCPL).

اتفاق‌ای برخلاف قواعد رایج فیزیک نور

در زیاد تر مواد نوری، فوتون‌های ورودی با انرژی زیاد تر علتبرانگیختن الکترون‌ها شده و بازتاب نور خروجی طبق معمولً انرژی کمتری دارد. اما آنچه که در این مطالعه مشاهده شده، وارونگی این روال طبیعی است. نانولوله‌های کربنی که ساختار‌هایی زیاد نازک و استوانه‌ای از کربن خالص‌اند، هنگامی که در معرض نور مادون‌قرمز قرار می‌گیرند، فوتون‌هایی با انرژی زیاد تر از نور ورودی ساطع می‌کنند.

تا پیش از این، دانشمندان گمان می‌کردند این اتفاق تنها در نانولوله‌هایی با نقص‌های ساختاری و در وجود مراکز گیرانداز برانگیختگی (اکسیتون) رخ می‌دهد. اما نتایج تازه نشان داد حتی نانولوله‌های کاملاً بی‌نقص نیز قادر به انجام این فرآیند می باشند که نشان‌دهنده یک سازوکار ذاتی و بنیادی در این مواد است.

نقش اکسیتون‌های تاریک و فونون‌ها در تابش بالا‌برنده

این فرآیند از طریق سازوکار جالبی اتفاق می‌افتد: بعد از برانگیختگی الکترون‌ها با نور مادون‌قرمز و راه اندازی اکسیتون، انرژی بیشتری از ارتعاشات کوانتومی شبکه‌ای به نام فونون جذب می‌شود. این انرژی اضافه، علتتشکیل اکسیتون‌های موسوم به «اکسیتون تاریک» می‌گردد که در نهایت علتتابش فوتونی با انرژی فراتر از نور جذب‌شده اولیه می‌شود.

از نکات مهم این کشف آن است که افزایش دمای محیط و شدت ارتعاشات فونونی، علتتقویت تاثییر UCPL می‌شود، مسئله‌ای که می‌تواند در طراحی کاربرد‌های صنعتی در محیط‌های گرم اهمیت اشکار کند.

انقلابی در فناوری انرژی خورشیدی

یکی از کاربرد‌های مهم این اتفاق، در افزایش بازدهی پنل‌های خورشیدی نهفته است. امروزه قسمت بسیاری از نور مادون‌قرمز توسط پنل‌های خورشیدی نادیده گرفته می‌شود. اما با منفعت گیری از UCPL می‌توان این نور کم‌انرژی را به نور مرئی قابل منفعت گیری تبدیل کرد. این فرآیند می‌تواند تبدیل تحولی بنیادین در منفعت‌برداری از انرژی خورشیدی شود و نسل جدیدی از پنل‌های با بازده بالا را به وجود آورد.

کاربرد‌های گسترده در تصویربرداری زیستی و علم مواد

کاربرد دیگر این اتفاق، در تصویربرداری زیستی و پزشکی است. منفعت گیری از نور مادون‌قرمز که نفوذ بیشتری در بافت دارد و ایمنی بیشتری برای بدن انسان دارد، همراه با تابش نور مرئی، می‌تواند ابزار‌های گسترش یافتهتری برای تشخیص غیرتهاجمی بیماری‌ها اراعه دهد.

این چنین، امکان خنک‌سازی مواد با منفعت گیری از لیزر و تابش UCPL، چشم‌انداز جدیدی در فناوری مواد و مدیریت حرارتی به وجود اورده است.

گامی بلند به‌سوی دستگاه‌های فوتونیکی بدون نقص

یکی از نتایج کلیدی این پژوهش آن است که دیگر نیازی به طراحی مواد با نقص‌های ساختاری برای رسیدن به تابش بالا‌برنده نیست. این کار راه را برای طراحی دستگاه‌های فوتونیکی و اپتو‌الکترونیکی کارآمدتر، تمیزتر و بادوام‌تر هموار می‌سازد.

آغازی بر فصل جدیدی در علم فوتونیک

کشف تابش فوتون‌های پرانرژی از نانولوله‌های کربنی بدون نقص ساختاری، مرز‌های دانش در فیزیک نور، فناوری انرژی و تصویربرداری زیستی را جابه‌جا کرده است. این یافته نه‌تنها به چالش کشیدن اصول پذیرفته‌شده در علم مواد را مشخص می کند، بلکه نویدبخش نوآوری‌های متعدد در حوزه‌هایی است که به منفعت‌گیری از نور و انرژی کوانتومی وابسته‌اند.

انتهای مطلب/