دنیای عجیب الکترون

دنیای عجیب الکترون ها

محققان با استفاده از پالس لیزری و شبیه سازی های محاسباتی پیشرفته، حرکت الکترون ها را در زمان واقعی و حقیقی خود مشاهده کردند. اخیرا محققان دانشگاه پدربورن و موسسه «فریتز هابر برلین» توانایی خود را در مشاهده حرکات الکترون ها طی واکنش شیمیایی نشان می دهند. محققان مدت ها فرایندهای مقیاس اتمی که واکنش های شیمیایی را کنترل می کنند، مورد بررسی قرار دادند، در حالی که پیش از این هرگز قادر به مشاهده حرکت الکترون ها در لحظه نبودند.

الکترون ها در کوچکترین مقیاس ها وجود دارند، آنها در قطر کمتر از یک چهارم کوادریلیون یک متر بوده و در اطراف اتم با سرعت یک هزارم نانو ثانیه در حرکتند. محققان تجربی و علاقه مند به مشاهده رفتار الکترون ها از پالس های لیزری استفاده می کنند تا بر الکترون ها اثر متقابل و برهم کنشی داشته باشند. آن ها می توانند انرژی و اندازه حرکت الکترون ها را با تجزیه و تحلیل خواص الکترون هایی که با نور لیزر از کاوش ها خارج می شوند، محاسبه کنند.

چالش بزرگ محققان

چالش برای محققان ضبط رویدادهایی است که در مقیاس یک هزارم تاتو ثانیه اتفاق می افتد از آنجا که یک هزارم نانو ثانیه بسیار کوتاه است، دستیابی به این سطح تجزیه تحلیل و جداسازی دشوار است نور می تواند ۳۰۰هزار کیلومتر در یک ثانیه طی کند، در حالی که در یک هزارم نانو ثانیه فقط ۳۰۰ نانومتر طی می کند. بعد از انجام اولین تحریک و برانگیختگی با پالس لیزره الكترون های والانس (ظرفیت) اتم – الکترون های خارج از اتم که به تشکیل پیوندهای شیمیایی کمک می کنند – ممکن است مجددا آرایش یابند تا پیوندهای شیمیایی جدیدی را ایجاد کنند و در نتیجه مولکول های جدیدی به وجود آیند. با این حال، به علت سرعت و مقیاس خاص این تعاملات، محققان تنها فرضیاتی در ارتباط با چگونگی انجام این دوباره سازی دارند. علاوه بر روشهای تجربی، محاسبات با کارایی بالا (HPC) به طور فزاینده ای تبدیل به یک ابزار برای درک سطح تعاملات اتمی، تایید مشاهدات تجربی و مطالعه رفتار الکترون ها در طول یک واکنش شیمیایی با جزئیات بیشتر شده است. گروهی از دانشگاه Paderborn به رهبری پروفسور دکتر وولف گوئرو اشمیت با گروهی از فیزیکدانان و شیمیدانان همکاری کردند تا بتوانند تحقیقات خود را از طریق مدل های محاسباتی تکمیل کننده تمرکز لیزری در سال گذشته، گروه اشمیت با آزمایشگران دانشگاه  Duisburg – Essen همکاری کردند تا یک ساختار مقیاس اتمی را برانگیخته کنند و انتقال های فاز برانگیخته شده را در زمان واقعی مشاهده کنند. انتقال فاز – زمانی که یک ماده از یک حالت فیزیکی به حالت دیگری تغییر می کند، مانند تغییر یافتن آب به یخ، در مطالعات و طراحی مواد بسیار مهم است؛ زیرا خواص مواد ممکن است با توجه به وضعیت موجود در آن تغییر کنند، به عنوان مثال، تیم متوجه شد سیم های نانو مقیاس ایندیومی با برانگیخته شدن با پالس لیزر از یک عایق به یک هادی الکتریکی تغییر می کنند در این سال، تیم قصد داشت آنچه را که در مورد سیم های ایندیوم پیش از این آموخته بود و مطالعات واکنش های شیمیایی را بیشتر از یک سطح بنیادی مورد بررسی قرار دهد، هدف آنها پیگیری چگونگی رفتار الکترون های تشکیل دهنده پس از تحریک به وسیله یک پالس لیزر بود. بنابر اظهارات اشمیت «سال گذشته آنها یک مقاله علمی منتشر کردند که اندازه گیری جنبش اتمی را در این مقیاس نشان میداد.» به گفته وی؛ امسال ما می توانیم نشان دهیم که چگونه اتم ها طی واکنش شیمیایی حرکت می کنند. در این سال ها حتی در حالی که واکنش صورت می گرفت، قادر به نظارت بر الکترون ها بودیم. به صورت تمثیلی، الکترون ها به عنوان چسب عمل کرده که اتمها را به طور شیمیایی به یکدیگر متصل می کنند. با این حال، یک پالس لیزر می تواند یک الکترون را پاکسازی کند و آنچه را که محققان به آن«Photohole» می نامند، ایجاد کند.

این Photohole ها فقط برای چند هزارم مونو ثانیه طول می کشد اما ممکن است منجر به شکستن پیوندهای شیمیایی و ایجاد پیوندهای جدید شوند. هنگامی که نانوسیم Indium با یک پالس لیزر برانگیخته می شود، سیستم یک پیوند فلزی ایجاد می کند که تغییر فاز آن را به یک هادی الکتریکی توضیح می دهد

 

 

 

 

همه کاربردهای شبیه سازی

شبیه سازی های محاسباتی پیشرفته به محققان اجازه می دهد تا الکترون ها را در مسیر حرکت قرار دهند و در نهایت به آنها کمک می کند تا مسیر واکنش کامل را مطالعه کنند. محققان اصول اولیه شبیه سازی ها را اجرا می کنند، به این معنی که آنها بدون هیچ پیش فرضی درباره این که چگونه یک ساختار اتمی کار می کند، فعالیت خود را آغاز کرده و سپس اتم های مدل کامپیوتری و الكترون های آن ها را با شرایط آزمایشی قرار می دهند. انوع متمرکز اصول اولیه شبیه سازی ها، نیاز به منابع محاسباتی پیشرفته دارند.

مابین فعالیت پیشین (اولیه) و پروژه فعلی، تیم هم اکنون به درک بهتری از نقش مهمی که Photohole در شکل دادن چگونگی توزیع انرژی در طول ساختار بازی می کند، رسیده است و این مسئله در نهایت یک روش محاسباتی پیشرفته قابل اعتماد برای شبیه سازی انتقال بسیار سریع فاز را در اختیار محققان قرار می دهد شبیه سازی کنونی تیم شامل حدود ۱۰۰۰ اتم است. در حالی که کوچک است، به آنها اجازه می دهد نمونه ای از نحوه ساختار اتم ها و الکترون های تشکیل دهنده آن به دست آورند. گروه Paderbom از کمیته HLRS برای بهینه سازی دستورها کمک گرفت و توانست تحقیقات خود را تا ۱۰ هزار اتم گسترش دهد. اشمیت توضیح داد درحالی که تحقیقات کلی از افزایش اندازه سیستم به منظور ۱۰ هزار اتم سود می برد، مرحله بعدی کار تیم این است که در سیستم های پیچیده تر کار کند او گفت: «تحقیقات کنونی محاسبات پیچیده ای است اما ساختار ساده ای دارد.» «گام بعدی ما این است که این تحقیق را توسعه دهیم و روی ساختارهایی با مقیاس های بزرگ تر تولید انرژی فعالیت کنیم. این حقیقت انکار ناپذیر است که با درک بهتر رفتارهای الکترون در سطح اتمی، محققان می توانند طراحی بهتری از مواد برای حمل، انتقال و ذخیره انرژی داشته باشند.

نویسنده : آزاده ذکاوت شریفی / منبع : مجله دانستنیها

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *