دماسنجی از مولکول‌ها

برگردان: احسان سنایی

می‌شود لامپ روشنی را لمس کرد و گرمی‌اش را فهمید؛ اما طبعاً نمی‌توان این روش را برای یک مولکول منفرد به کار بست و نتیجه‌ای مشابه گرفت. پژوهش‌گران دانشگاه رایس ایالات متحده مدعی‌اند که راهی را برای تعیین دمای یک مولکول، یا الکترون‌ آزاد با یاری روش «طیف‌سنجی رامان»؛ به کمک یک آنتن نوری یافته‌اند.

مقاله‌ای جدید از سوی آزمایشگاه پروفسور «داگلاس نتلسون» (Douglas Natelson)؛ استاد فیزیک و ستاره‌شناسی دانشگاه رایس، به شرح جزئیات روشی می‌پردازد که با یاری‌اش می‌توان دمای یک مولکولِ ثابت‌شده مابین دو نانوسیم از جنس طلا را که یا از طریق رسانش این سیم‌ها؛ و یا تابش لیزر گرم شده را محاسبه کرد. این مقاله در نسخه‌ی این هفته‌ی ویرایش الکترونیکی نشریه‌ی علمی Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.

طرح از George Schill

نتلسون، به‌همراه دستیارش «دن وارد» (Dan Ward) که دانشجوی فوق‌دکترای پژوهشی‌ست، و نیز همکاران‌شان دریافتند که هرچند تعیین دما در مقیاس‌های نانو، به‌مراتب می‌تواند پیچیده‌تر از دماسنجی از اجسام بزرگ‌تر باشد؛ اما می‌توان آن را تا ترازی از دقت انجام داد؛ آنچنان‌که مورد توجه جامعه‌ی مهندسین الکترونیک مولکولی یا هرکس که خواهان دانستن نحوه‌ی کارکرد گرمازایی و یا گرماگیری یک جسم در مقیاس‌های شدیداً ریز است؛ قرار گیرد. نتلسون می‌گوید: «وقتی‌که قصد تولید ابزارآلات کوچک الکترونیکی یا انشعابات ریز را دارید؛ بایستی‌که نگران از نحوه‌ی آزادسازی نهایی انرژی الکتریکی به‌شکل گرما هم باشید. در مورد اجسام ماکروسکوپیک همچون رشته‌ی گدازان لامپ حبابی، می‌توان دماسنجی را به آن‌ها متصل نمود و به دما پی برد. اگر به طیف نوری که از آن خارج می‌شود بنگرید هم قادر به تعیین دما خواهید بود».

این، نسخه‌ی ساده‌شده‌ی همان چیزی‌ست که نتلسون و وارد مشغول به انجام آن‌اند. هیچکس قادر به تماشای درخشش یک مولکول نیست. با این حال، پژوهش‌گران قادرند که نور را به‌عنوان شاخص، روانه‌ی مولکول مزبور نمایند و طول موج نور بازتاب‌شده را که تحت تأثیر گرمای احتمالی مولکول قرار گرفته، اندازه‌گیری کنند. نتلسون در ادامه می‌افزاید: «در روش "پراکندگی رامان"، شما پرتو نوری که با هدف‌تان برهمکنش خواهد داشت را به طرف‌اش ارسال می‌کنید. وقتی‌که بازگردد؛ انرژی‌اش یا بیشتر از آن حالتی‌ست که فرستاده بودیدش؛ یا کمتر، و ما می‌توانیم دمای مؤثر آن جسمی که نور را متفرق کرده، تعیین کنیم».

این پژوهش جدید، در امتداد مقاله‌ای منتشرشده در ماه سپتامبر سال جاری پیرامون موفقیت این آزمایشگاه در تولید نانوآنتن‌هایی که نور را تا یک‌هزار برابر تمرکز داده و تقویت می‌کنند؛ انجام پذیرفته است. تمرکز آن مقاله بیشتر بر شدت نور لیزر تابیده‌شده در شکافی مابین لبه‌های دو نانوسیم طلایی، معطوف شده بود. این‌بار و در این پژوهش، نتلسون و وارد اقدام به پراکنش مولکول‌‌ها بر سطح یک نانوسیم طلایی نموده و پس از آن سیم را شکسته؛ و اینچنین شکافی نانومتری را به‌وجود آوردند.

وقتی‌که پژوهش‌گران به‌اندازه‌ی کافی در جای‌گیریِ مناسب مولکول‌ها در این شکاف، شانس آوردند (به‌تعبیر نتلسون، بهترین لحظه زمانی‌ست که سیم‌های فلزی از محل شکاف در نزدیک‌ترین حالت‌شان نسبت به هم قرار گرفته‌اند – آنان جریان را به سیم‌ها تزریق کرده و طیف منتشره را بررسی نمودند. این آزمایشات، در محیط خلأ و دمای ۸۰ کلوین (۱۹۳- درجه‌ی سلسیوس) انجام می‌پذیرفت. پژوهش‌گران بلافاصله متوجه شدند که قادرند نوسانات دمایی مولکول‌ها را تا حتی ۲۰ درجه، به‌سهولت اندازه‌گیری کنند.

در خصوص مقیاس‌های بزرگتر با این حال، نتلسون می‌گوید: «معمولاً به چیزی می‌نگرید که اساساً سرد است. نور را روانه‌اش می‌کنید؛ و این نور در برخورد با جسمی که به آن می‌نگرید، اندکی بی‌رمق می‌شود و با انرژی کمتری نسبت به حالت اول، برمی‌گردد. با یاری روش "پراکندگی رامان"، می‌توانید عملاً حالات ارتعاشی خاص ِ هر مولکولی را مشاهده کنید». اما اگر اتم‌ها، خود همراه با انرژی اولیه‌ای در حال ارتعاش بوده باشند؛ برعکس این قضیه رخ می‌دهد. وی در ادامه می‌افزاید: «نور [ارسالی] می‌تواند کمی [از این انرژی] را بگیرد و در وضعیتی پرانرژی‌تر از اول، بازگردد». این اثر، هنگامی‌که جریانی در نانوسیم‌ها وجود داشته باشد؛ از هر حالتی چشمگیرتر خواهد بود. «مادامی‌که ما جریان را به محل انشعاب تزریق می‌کنیم؛ می‌توانیم این ارتعاشات گوناگون را بیشتر و بیشتر [از پیش] مشاهده کنیم. می‌توانیم که افزایش دمای جسم را هم مشاهده کنیم».

نتلسون، که در سال ۲۰۰۸ از سوی نشریه‌ی Discover به‌عنوان یکی از ۲۰ دانشمند برتر زیر چهل‌ساله‌ی ایالات متحده انتخاب شده بود؛ می‌گوید که این آزمایشات، نه‌تنها نحوه‌ی گرم شدن مولکول‌های گیرافتاده در شکاف مابین نانوسیم‌ها؛ بلکه فعال‌وانفعالات این مولکول‌ها با سیم‌های فلزی را هم نشان‌ داد. او می‌گوید: «ارتعاشات، به‌شکل قله‌های تیزی در طیف نمودار می‌شوند و انرژی‌شان کاملاً مشخص است. با این‌همه، نور عملاً با الکترون‌های موجود در فلز؛ که سیم‌های فلزی حقیقی نیز همین‌ها می‌باشند برهم‌کنش دارد».

نتلسون، کسب مستقیم اطلاعات درخصوص نحوه‌ی گرمایش و اتلاف گرما در مقیاس نانو را شدیداً دشوار توصیف می‌کند و می‌گوید: «به‌طور کلی نمی‌توان چنین کاری کرد. مدل‌سازی‌های فراوانی صورت پذیرفته؛ اما با ضوابطِ مربوط به تجربیاتی که به یاری‌شان می‌توان چنین محاسباتی را صورت داد؛ همه‌چیز غیرمستقیم است. این [پژوهش اما] یک استثناست. چیز ویژه‌ای‌ست. شما قادرید آنچه را که رخ می‌دهد [از نزدیک] ببینید. ما در آزمایشات خیالی‌مان به خودمان می‌گفتیم: "هی پسر؛ ای کاش می‌توانستم با یک دماسنج [به‌سمت مولکول] بروم" و یا "ای کاش می‌توانستم هر مولکولی را ببینم و میزان ارتعاشش را از نظر بگذرانم. و عملاً این‌ها همان کارهایی‌ست که ما هم‌اکنون می‌کنیم. ما حقیقتاً افزایش دمای این چیزها (مولکول‌ها) را مشاهده می‌کنیم».

منبع: Rice University