شوکهای لیزری، پلاستیک را به نانوالماسهای بسیار ریز و با خلوص بالا تبدیل میکنند
تولید نانوالماس با لیزر روشی نوین برای ساخت نانوالماسهای بسیار ریز و با خلوص بالا است. نانوالماسها ذرات ریز الماس هستند که معمولاً تنها چند میلیونیم میلیمتر اندازه دارند. آنها بسیار سخت، پایدار و مقاوم در برابر حرارت هستند و برای اهداف مختلف در پزشکی، مواد جدید، کاتالیز و فناوری انرژی بسیار سازگار هستند.
محققان مرکز هلمهولتز-درسدن-روسندورف (HZDR) و دانشگاه روستوک اکنون با فشردهسازی پلاستیک با لیزر، قادر به تولید سیستماتیک الماسهای بسیار کوچک با خلوص بالا و توزیع اندازه باریک هستند.
دستیابی به این هدف با روشهای مرسوم مانند انفجار غیرممکن است. فشردهسازی لیزری به عنوان یک فناوری مقیاسپذیر، پتانسیل بالایی برای تولید بهبود یافته، تمیز و پایدار نانوالماسهای بسیار کوچک ارائه میدهد.
زمانی که پژوهشگران برای نخستین بار با استفاده از روش فشردهسازی لیزری نانوالماسها را تولید کردند، تمرکز اولیهشان بر فیزیک سیارات بود.
آنها پرتوهای لیزر پرقدرت را به سمت مواد پلاستیکی شلیک میکردند تا با گرم و فشرده کردن این مواد، شرایط بسیار سخت و شدید حاکم بر درون سیاراتی همچون نپتون یا اورانوس را شبیهسازی کنند. در این شرایط، دما به چندین هزار درجه سانتیگراد و فشار به میلیونها برابرِ فشار جو زمین میرسد. این محیط برای تبدیل کربن به الماس ایدهآل است. نتایج این پژوهش را در نشریه «Diamond and Related Materials» منتشر کردند.
گذار از فیزیک سیارات به کاربردهای عملی
دومینیک کراوس، مدیر مؤسس «HEDI» (مؤسسه فیزیک چگالی انرژی بالا در مرکز HZDR) و استاد دانشگاه روستوک، میگوید: «ما انتظار داشتیم که تحت این شرایط نانوالماسها تشکیل شوند؛ اما آنچه ما را غافلگیر کرد، سرعت بالای این فرایند بود که بلافاصله ایده یک کاربرد فنی بالقوه را در ذهن ما ایجاد کرد.»
با این حال، دانشمندان در آن زمان تنها توانسته بودند تشکیل الماسها را در این شرایطِ بسیار سخت و شدید، برای لحظاتی کوتاه نشان دهند.
اکنون پژوهشگران با موفقیت اثبات کردهاند که این الماسها در جریان گذار به فشار و دمای عادی نیز پایدار میمانند و از بین نمیروند.
پژوهشگران این آزمایشها را در خطوط پرتوِ تأسیسات «ELI» (زیرساخت نور فوقالعاده شدید) در جنوب پراگ انجام دادند. این تأسیسات لیزری و منحصربهفرد، قادر به کار با نرخ تکرار بالا و انرژیهای بسیار زیاد است.
در این آزمایش، لیزر پرقدرتِ مستقر در تأسیسات L4n-P3، سه بار در دقیقه پالسهای نوری را به سمت یک لایه نازک PET (با ضخامت ۱۰۰ میکرومتر) شلیک میکند. پرتو لیزر نیز سطح این لایه را به صورت نقطهبهنقطه (اسکن) میپیماید.
نانوالماسها در درون موج شوک شکل میگیرند. سپس همچون پرتابه از لایه جدا میشوند و پژوهشگران آنها را در استوانهای حاوی مادهای جاذب (تله)، جمعآوری میکنند.
تولید به روش شوک لیزری
کراوس این چالش را چنین توصیف میکند: «وقتی موج فشاری به انتهای نمونه میرسد، ناگهان وارد خلأ میشود و نانوالماسها را به سرعتی بیش از ۱۰ کیلومتر بر ثانیه شتاب میدهد؛ سرعتی که با برخورد شهابسنگ قابل مقایسه است. برای جلوگیری از نابودی فوری الماسها هنگام برخورد با استوانه جمعآوریکننده، باید از محیطی بسیار نرم برای جمعآوری آنها استفاده کنیم.»
پژوهشگران یک ژل یونیِ محلول در آب و سازگار با خلأ را برای این منظور انتخاب کردند.
در هر شلیک، حدود ۱۰ تریلیون نانوالماس با اندازههای تقریباً یکسان به درون استوانه پرتاب میشود. این رقم شاید زیاد به نظر برسد، اما در نهایت جرم بسیار اندکی را تشکیل میدهد. یک نانوالماس با قطر متوسط سه میلیاردمِ متر، از حدود ۳۰۰۰ اتم کربن تشکیل شده است.
پژوهشگران برای به دست آوردن چند صد میکروگرم از این ماده، به حدود ۱۰۰ شلیک نیاز داشتند. این مقدار برای شناسایی و تعیین ویژگیهای الماسها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی ELMI-MV در دپارتمان «حیات، نور و ماده» دانشگاه روستوک کافی بود.
بن هویسر از مرکز HZDR، نویسنده اصلی این پژوهش که آزمایشها را در چارچوب پایاننامه دکترای خود در دانشگاه روستوک انجام داده است، میگوید: «پس از استخراج نانوالماسها از ماده جمعآوریکننده و خالصسازی آنها، توانستیم برای نخستین بار آنها را بهطور مستقیم با استفاده از دستگاه ELMI-MV مشاهده کنیم. آن لحظهای ویژه بود که سالها برای رسیدن به آن تلاش کرده بودیم. با این دستگاه، حتی میتوانیم تکتک اتمها را نیز تفکیک و مشاهده کنیم.»
یک فرآیند بهینه برای تحقیق و صنعت
تحقیقات همجوشی، پیشرفتهای جدیدی را در لیزرهای پرانرژی و کممصرف با نرخ تکرار بالا به ارمغان میآورد.
این بدان معناست که فرآیند تولید نانوالماسها احتمالاً واقعاً مقیاسپذیر خواهد بود. هرچه پالسهای پرانرژی بیشتری در مدت زمان کوتاهی تولید شود، بازده بهتر است.
محققان در آزمایشهای بیشتر در آزمایشگاههای خود در دانشگاه روستوک و در مراکز تحقیقاتی در مقیاس بزرگ، قصد دارند حجم تولید را افزایش داده و به محدوده میلیگرم برسند. این مقدار مشابه با فرآیندهای تولید مرسوم است.
مزیت کلیدی فشردهسازی لیزری در توانایی آن در تولید نانوالماسهای کوچکتر، تمیزتر و دقیقتر کنترلشده نهفته است. امروزه از این ذرات در عوامل ساینده و صیقلدهنده استفاده میشوند.
در آینده، انتظار میرود که از آنها به عنوان حسگرهای کوانتومی بسیار حساس، عوامل کنتراست پزشکی و شتابدهندههای واکنش کارآمد استفاده شود.
به عنوان مثال، الماسهای کوچک مزایای مختلفی را در فرآیندهایی مانند تجزیه CO₂ با نور خورشید ارائه میدهند، زیرا سطح ترکیبی بزرگتر آنها کاتالیز کارآمدتری را ممکن میسازد.
هنگامی که از پلاستیک تولید میشوند، میتوانند به راحتی با اتمهای خارجی آلاییده شوند و بنابراین برای اهداف مختلف سازگار شوند.
به عنوان مثال، این میتواند عوامل کنتراست را برای معاینات MRI پزشکی بهبود بخشد.
فراتر از نانوالماسها، دانشمندان میخواهند از این فرآیند برای ایجاد یک ماده عجیب و غریب استفاده کنند: BC8، شکلی از کربن که قبلاً فقط از نظر تئوری پیشبینی شده بود.
این ماده چگالتر از الماس است، به همان اندازه سخت، اما کمتر شکننده است. BC8 نمیتواند به طور طبیعی روی زمین تشکیل شود، زیرا ما شرایط لازم را نداریم.
محققان اکنون با استفاده از لیزرهای پرقدرت و حتی فشار بالاتر، قصد دارند این ماده را مستقیماً از پلاستیک، در فرآیندی مشابه تولید نانوالماس، تولید کنند. آزمایش اولیه برای ماه نوامبر برنامهریزی شده است.
بیشتر بدانید:طلای سبک وزن 18 عیار ساخته شده از پلاستیک
لینک مرتبط:تبدیل نانوالیاف کربنی به الماس با پالسهای لیزری فوق سریع
تاریخ:1405/6/31
مهسا نعمتی
