Vusterio politechnikos instituto (JAV) mokslininkų komanda sukūrė novatorišką, šviesa aktyvuojamą puslaidininkinę nanokompozitinę medžiagą, kurią tikimasi panaudoti gaminant mikroskopinius chirurginių robotų griebtukus, šviesos energija maitinamus optinių telekomunikacijos sistemų mikroveidrodžius bei efektyviau veikiančius saulės elementus ir fotodetektorius.
„Tai visiškai nauja mokslo sritis, – pasakojimą pradeda mechaninės inžinerijos docentas bei pagrindinis straipsnio, publikuoto žurnale „Scientific Reports“, autorius Baladžis Pančapeksanas (Balaji Panchapakesan). – Labai mažai medžiagų šviesos fotonus sugeba tiesiogiai paversti mechaniniais judesiais. Savo naujausiame darbe mes pristatome pirmąją puslaidininkinę nanokompozitinę medžiagą, kuri elgiasi būtent taip. Tai nepaprastas darinys, išsiskiriantis ir savo tvirtumu bei padidinta šviesos sugertimi, kuomet jį pradeda veikti mechaninis įtempis.“
„Mažyčiai griebtukai, pagaminti į pagalbą pasitelkus šią medžiagą, galėtų būti naudojami marsaeigiuose smulkių dulkių rinkimui, – pažymi mokslininkas. – Jie galėtų būti pritvirtinami prie miniatiūrinių robotų, kurie cirkuliuotų kraujotakoje ir gaudytų vėžines ląsteles arba paimtų smulkučius audinių pavyzdžius. Šią medžiagų būtų galima panaudoti konstruojant besisukančių veidrodžių elementus optinėse telekomunikacijos sistemose – šie būtų aktyvūs tik veikiant šviesai, be to, nereikėtų jokio kito energijos šaltinio.“
Kaip ir kitas puslaidininkines medžiagas, mokslininkų tyrinėtą molibdeno disulfidą MoS2 geriausiai apibūdina tai, kaip elektronai yra išsidėstę ir juda tarp medžiagą sudarančių atomų. Puslaidininkiuose elektronai gali judėti iš išorinių orbitalių formuojamos valentinės juostos į vadinamąją laidumo juostą, kuomet juos sužadina tam tikras energijos šaltinis, pavyzdžiui, elektromagnetinis laukas arba šviesos fotonai. Kirsdami vadinamąjį draudžiamosios energijos tarpą, elektronai sukuria srovės tekėjimą, kuris savo ruožtu ir leidžia funkcionuoti kompiuterių lustams arba saulės elementams.
Kai neigiamą krūvį turintys elektronai juda tarp orbitalių, jie savo vietoje palieka teigiamo krūvio tuštumas, kurios vadinamos skylėmis. Tarpusavyje surišta elektrono ir jo suformuotos skylės pora vadinama eksitonu.
Atlikdami eksperimentus, B. Pančapeksanas ir jo vadovaujama tyrėjų komanda kartu su kolegomis iš Luisvilio (JAV) bei Varšuvos universitetų pastebėjo, kad molibdeno disulfide molibdeno ir sieros atominės orbitalės yra išsidėsčiusios unikaliu būdu, kuris leidžia laidumo juostos eksitonams sąveikauti su vadinamosiomis p orbitalėmis, esančiomis sieros atomuose. Toks eksitoninis rezonansas sustiprina sigma ryšius molibdeno disulfide, kurie užtikrina nepaprastą dvimačio atomų masyvo tvirtumą. Šio rezonanso stipris taip pat įtakoja ir unikalų reiškinį, kurio metu medžiagos viduje išsiskiria šiluma. Būtent šiluma ir nulemia chromatinį (šviesos sukeltą) mechaninį medžiagos atsaką.
Tam, kad pasinaudotų savo pastebėjimais, mokslininkų komanda sukonstravo plonas plėveles, sudarytas iš vieno-trijų molibdeno disulfido sluoksnių, padengtų gumą primenančio polimero sluoksniais. Kai tokie nanokompozitai buvo veikiami įvairių bangos ilgių šviesa, tyrėjai atkreipė dėmesį, kad šiluma, susidaranti dėl eksitoninio rezonanso, privertė polimerą išsiplėsti ir susitraukti, priklausomai nuo tuo metu naudotos šviesos bangos ilgio. Ankstesniame savo darbe, B. Pančapeksano komanda pritaikė tokį fotomechaninį medžiagos atsaką sukonstruodami mažyčius griebtukus, kurie atsiveria ir užsiveria reaguodami į šviesos impulsus. Miniatiūriniai griebtukai gali sučiupti plastikinius rutuliukus, savo dydžiu prilygstančius pavienėms žmogaus ląstelėms.
Tęsdami eksperimentus, tyrėjai atrado dar vieną unikalų molibdeno disulfido nanokompozito elgesio aspektą, kuris atveria duris įvairiems praktiniams pritaikymams. Į pagalbą pasitelkę deformacijų inžinerijos metodus, mokslininkai ištempė medžiagą ir aptiko, kad išorinių jėgų sukeltas mechaninis įtempis padidino molibdeno disulfido gebėjimą sugerti šviesą.
„Tai yra kažkas tokio, ko negalima atlikti su įprastiniais plonųjų plėvelių puslaidininkiais, kadangi mechaniškai deformavus šie subyrės anksčiau laiko, – tyrinėjamos medžiagos unikalumu džiaugiasi B. Pančapeksanas. – Bet molibdeno disulfido tvirtumas tai leidžia padaryti. O esant įtempiui išaugusi optinė sugertis leidžia kalbėti ir apie šios medžiagos panaudojimą kuriant efektyvesnius saulės elementus, fotodetektorius bei detektorius, tinkamus šiluminėms ir infraraudonųjų spindulių kameroms.“
„Eksitoninis rezonansas, fotomechaninis atsakas ir padidėjusi optinė sugertis esant mechaniniui įtempiui daro šią medžiagą nepaprastai įdomiu ateities tyrimų objektu“, – pasakojimą pabaigia mokslininkas.
Scientists develop a semiconductor nanocomposite material that moves in response to light
Daugiau:
LEGO kaladėlių funkcionalumas įkvėpė nanoinžinierius
Lietuvoje kuriami nanorobotai, lemsiantys permainas medicinoje
Metamedžiagos naudoja šviesą savo judėjimo kontrolei
Žvilgsnis į nanodalelių vidų atskleidžia, kaip jų forma įtakoja savybes
Sukurtas naujas anglies nanovamzdelių pagrindo virusų aptikimo metodas