מדעני אנרגיה גילו את תעלומת הזוהר של זהב

חוקרים ב-EPFL יצרו את המודל המפורט הראשון המסביר את ההשפעות הקוונטיות-מכניות שגורמות לפוטו-לומינסנציה בסרטי זהב דקים, פריצת דרך שיכולה לקדם את הפיתוח של דלקים סולאריים וסוללות.

זוהר, התהליך שבו חומרים פולטים פוטונים בחשיפה לאור, נצפתה זה מכבר בחומרים מוליכים למחצה כמו סיליקון. תופעה זו כוללת אלקטרונים ב- ננומטרי סופג אור ולאחר מכן פולט אותו מחדש. התנהגות כזו מספקת לחוקרים תובנות חשובות לגבי המאפיינים של מוליכים למחצהמה שהופך אותם לכלים שימושיים לחיטוט בתהליכים אלקטרוניים, כמו אלה בתאים סולאריים.

בשנת 1969, מדענים גילו שכל המתכות זוהרות במידה מסוימת, אך השנים שחלפו לא הצליחו להניב הבנה ברורה כיצד זה מתרחש. התעניינות מחודשת בפליטת אור זו, המונעת על ידי מיפוי טמפרטורות בקנה מידה ננומטרי ויישומי פוטוכימיה, הציתה מחדש את הוויכוח סביב מקורותיה. אבל התשובה עדיין לא הייתה ברורה – עד עכשיו.

"פיתחנו סרטי זהב מתכת באיכות גבוהה מאוד, שהציבו אותנו בעמדה ייחודית להבהיר את התהליך הזה ללא הגורמים המבלבלים של ניסויים קודמים", אומרת ג'וליה טאגליאבו, ראש המעבדה לננו-מדעים לטכנולוגיות אנרגיה (LNET) בבית הספר של הנדסה.

במחקר שפורסם לאחרונה ב אור: מדע ויישומים, Tagliabue וצוות LNET מיקדו את קרני הלייזר בסרטי הזהב הדקים ביותר – בין 13 ל-113 ננומטר – ולאחר מכן ניתחו את הזוהר הקלוש שנוצר. הנתונים שנוצרו מהניסויים המדויקים שלהם היו כל כך מפורטים – וכל כך בלתי צפויים – שהם שיתפו פעולה עם תיאורטיקנים במכון למדע וטכנולוגיה של ברצלונה, באוניברסיטת דרום דנמרק ובמכון הפוליטכני רנסלר (ארה"ב) כדי לעבוד מחדש וליישם מידול מכאני קוונטי. שיטות.

הגישה המקיפה של החוקרים אפשרה להם ליישב את הוויכוח סביב סוג הזוהר הנובע מהסרטים – פוטו-לומיננסנציה – המוגדרת על ידי האופן הספציפי של אלקטרונים ועמיתיהם הטעונים (חורים) המנוגדים מתנהגים בתגובה לאור. זה גם איפשר להם לייצר את הדגם הראשון השלם והכמותי המלא של תופעה זו בזהב, שניתן ליישם על כל מתכת.

השפעות קוונטיות בלתי צפויות

Tagliabue מסביר כי, באמצעות סרט דק של זהב חד-גבישי שהופק בטכניקת סינתזה חדשה, הצוות חקר את תהליך הפוטו-לומינסנציה כאשר הם הפכו את המתכת לדקה יותר ויותר. "צפינו בהשפעות מכניות קוונטיות מסוימות שהופיעו בסרטים של עד כ-40 ננומטר, וזה היה בלתי צפוי, כי בדרך כלל עבור מתכת, אתה לא רואה השפעות כאלה עד שאתה הולך הרבה מתחת ל-10 ננומטר", היא אומרת.

תצפיות אלו סיפקו מידע מרחבי מרכזי על היכן בדיוק התרחש תהליך הפוטו-luminescence בזהב, שהוא תנאי מוקדם לשימוש של המתכת כבדיקה. תוצאה בלתי צפויה נוספת של המחקר הייתה הגילוי שניתן להשתמש באות הפוטו-luminescent של הזהב (Stokes) כדי לחקור את טמפרטורת פני השטח של החומר עצמו – ברכה עבור מדענים העובדים בקנה מידה ננו.

"עבור תגובות כימיות רבות על פני השטח של מתכות, יש ויכוח גדול על מדוע ובאילו תנאים מתרחשות התגובות הללו. טמפרטורה היא פרמטר מפתח, אבל מדידת טמפרטורה בקנה מידה ננו קשה ביותר, כי מדחום יכול להשפיע על המדידה שלך. אז זה יתרון עצום להיות מסוגל לחקור חומר תוך שימוש בחומר עצמו בתור הבדיקה", אומר טגליאבו.

תקן זהב לפיתוח דלק סולארי

החוקרים מאמינים שהממצאים שלהם יאפשרו להשתמש במתכות כדי לקבל תובנות מפורטות חסרות תקדים לגבי תגובות כימיות, במיוחד אלו המעורבות במחקר אנרגיה. מתכות כמו זהב ונחושת – יעד המחקר הבא של ה-LNET – יכולות לעורר תגובות מפתח מסוימות, כמו הפחתת פחמן דו חמצני (CO2) בחזרה למוצרים מבוססי פחמן כמו דלק סולארי, האוגרים אנרגיית שמש בקשרים כימיים.

"כדי להילחם בשינויי האקלים, נצטרך טכנולוגיות להמרת CO2 לכימיקלים שימושיים אחרים בדרך זו או אחרת", אומר הפוסט-דוקטורט של LNET אלן באומן, המחבר הראשון של המחקר.

"שימוש במתכות הוא דרך אחת לעשות זאת, אבל אם אין לנו הבנה טובה של איך התגובות האלה קורות על פני השטח שלהן, אז אנחנו לא יכולים לייעל אותן. זוהר מציעה דרך חדשה להבין מה קורה במתכות הללו".