სიახლეები
ოტავას უნივერსიტეტის (კანადა) კვლევითმა ჯგუფმა შეძლეს დაემსხვრიათ ბოლო ათწლეულების მითი მეტალების ფოტონიკასა (მეცნიერების და ტექნოლოგიის დარგი, რომელიც ხელსაწყოებში სინათლის ნაკადის გამოყენებას უკავშირდება) და ოპტიკაში გამოუსადეგარობის შესახებ. მათი კვლევის შედეგები გამოქვეყნდა ჟურნალ Nature Communications 2021 წლის თებერვლის ნომერში.
„ჩვენ მეტალური ნანო-ნაწილაკების პერიოდული მესერისთვის ერთი რიგით მოვხსენით რეკორდი რეზონანსის ხარისხის ფაქტორისათვის (Q-factor).“-ამბობს კვლევების ერთ-ერთი ავტორი Ksenia Dolgaleva.
ცნობილია, რომ მეტალები ინტენსიური შთანთქმის უნარიანობით გამოირჩევიან, რასაც მათი გამტარებლობის ფაქტორი უწყობს ხელს. გამტარ გარემოში სინათლის შთანთქმა და მეორადი ტალღების სახით მისი უკან გამოსხივება დროის საკმაოდ მცირე მონაკვეთებში ხდება. ამიტომაც მეტალები ხილულ სპექტრში კარგი ამრეკვლიანობით ხასიათდებიან, სინათლის გარკვეული მცირე ნაწილი კი სითბოს გამოყოფაზე იხარჯება. რაც შეეხება ლითონების ნანო-ნაწილაკებს, მათი ოპტიკური თვისებები მკვეთრად განსხვავდება ამავე ლითონის მაკრო-ზომის მასალის თვისებებისგან. მეცნიერებმა სწორედ ასეთი ნანო-ნაწილაკებისგან დამზადებული მეტა-ზედაპირებისთვის (ხელოვნურად სტრუქტურირებული ზედაპირი) ულტრა მაღალი Q-რეზონანსები მიიღეს, რაც სინათლის ეფექტურ მანიპულირებასა და მის მატერიასთან ურთიერთქმედებას კიდევ უფრო შეუწყობს ხელს.
მეცნიერების თქმით, ნანო-ფოტონიკაში ასეთი მეტა-ზედაპირების გამოყენება ტრადიციული მაკრო-ზომის მასალებთან შედარებით ბევრად მომგებიანია. ბიო-სენსორები, ნანო-ლაზერები თუ სხვა დანიშნულებისა და სახეობის ელექტრონული და ოპტიკური ხელსაწყოები ნანო-ნაწილაკების გასაოცარ თვისებებს უკვე იყენებენ.
„კეთილშობილი მეტალების, როგორებიცაა მაგალითად ოქრო და ვერცხლი, ნანო-ნაწილაკებისგან დამზადებული მეტა-ზედაპირები უნიკალურ და მათი არა-მეტალური კოლეგებისგან საგრძნობლად განსხვავებულ თვისობრიობას ამჟღავნებენ. სინათლე მათ ზედაპირთან ახლოს კონცენტრირდება და არა ნანო-ნაწილაკების შუაგულში. აქ კი თავს იჩენს ფენომენი, რომელსაც მეცნიერულ ენაზე ლოკალიზებულ ზედაპირულ პლაზმონურ რეზონანსს (LSPR) ვუწოდებთ. ეს მოვლენა დიდ უპირატესობას აძლევს მეტალურ ნანო-ნაწილაკებს, ვინაიდან ასეთი ზედაპირული რეზონანსები გამოდგება ბიო-ორგანიზმებისა და მოლეკულების დეტექტირებისთვის, რაც მათ მედიცინასა და ქიმიაში დანერგვას უზრუნველყოფს. გარდა ამისა, ამ ყველაფრის გამოყენება შეიძლება ასევე ლაზერებისთვისაც, რომელთა ზომებიც ნანო-მასშტაბისაა“ - განმარტავს კვლევის თანაავტორი Saad Bin-Alam.
მეტალური ნანო-ნაწილაკების ოპტიკური თვისებები უმთავრესად დამოკიდებულია სწორედ მათ ზედაპირულ პლაზმონურ რეზონანსზე. მკვლევარების თქმით მაღალი რეზონანსული ხარისხის ფაქტორი (resonance quality Q-factor) გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ლითონის ნანო-ნაწილაკებთან ურთიერთქმედება მათი თავისუფალი ელექტრონების კოლექტიურ ოსცილაციებს იწვევს, ე. ი ნანო-ნაწილაკებში მუხტის სიმკვრივის პერიოდულ ცვლილებებს გვაძლევს. სწორედ ამ ელექტრონული პლაზმის ოსცილაციის კვანტებს ეწოდება პლაზმონები. თუკი ელექტრონების რხევის საკუთარი სიხშირე დაცემული სინათლისას დაემთხვა, მაშინ ადგილი აქვს ზედაპირულ პლაზმონურ რეზონანსს, რომლის დროსაც შთანთქმის ინტენსიური ზრდა დაიკვირვება. კეთილშობილი ლითონების ნანო-ნაწილაკებისთვის რეზონანსული პიკი სპექტრის ხილულ და ახლო-ინფრაწითელ დიაპაზონებში ვლინდება. ასევე უნდა აღინიშნოს, რომ ამ პიკის მდებარეობა მნიშვნელოვნად დამოკიდებულია ნანო-ნაწილაკის ზომასა და ფორმაზე.
კვლევის კიდევ ერთი თანაავტორის Orad Reshef-ის თქმით ნანო-ნაწილაკებში ენერგიის დიდი დანაკარგების გამო Q-ფაქტორები დაბალია. Q-ფაქტორი არის უგანზომილებო პარამეტრი, რომელიც ოსცილირებადი სისტემის მილევადობის სისწრაფეს ახასიათებს. ადრინდელ კვლევებში მეცნიერები შეეცადნენ შთანთქმის შემცირებას მესერში ნანო-ნაწილაკების ოხლო-ახლო განლაგებით, რომლის დროსაც მხოლოდ რამდენიმე ასეულის ტოლი Q-ფაქტორი მიიღებოდა. სწორედ ამან დაუდო სათავე იმ მითს, რომ მეტალები პრაქტიკული გამოყენებისათვის არ ვარგან.
ოტავას უნივერსიტეტის მეცნიერთა ჯგუფმა სამწლიანი (2017-2020) დაუღალავი შრომის შედეგად ამ მითის დამსხვრევა შეძლო: „ოქროს ნანო-ნაწილაკებისგან შემდგარი მეტა-ზედაპირის რიცხვითი მოდელირების შედეგად ხარისხის ფაქტორი რამდენიმე ათასი მივიღეთ. ასეთი მაღალი მაჩვენებელი ექსპერიმენტზე მანამდე არასოდეს დაფიქსირებულა ჩვენ კი ეს მოვახერხეთ. ზედაპირული პლაზმონური რეზონანსის ხარისხის ფაქტორი (Q-factor of SPR) დაახლოებით 2,400-ის ტოლი გამოვიდა, რაც წინანდელ შედეგებს 10-ჯერ აღემატება და რეკორდულ მონაცემს წარმოადგენს“ - ამბობს Saad Bin-Alam, რომელმაც აღნიშნული მეტა-ზედაპირის სტრუქტურა შეიმუშავა.
ამ აღმოჩენამ მეცნიერები დაარწმუნა, რომ მეტალების შესახებ ჯერ კიდევ ბევრი რამ არ ვიცით.
„ჩვენმა კვლევამ დაადასტურა, მეტალების (იგივე პლაზმონიკების) ნანო-სტრუქტურების ფარული და განმაცვიფრებელი თვისებების არსებობა და დაგვანახა, რომ მათ შესახებ ჯერ კიდევ ბევრი რამ არ ვიცით. აღმოჩნდა, რომ ისინი ოპტიკური გამოყენებებისათვის მნიშვნელოვანი და პრაქტიკული შეიძლება იყვნენ.“
წყარო:
