ICTPRESS - شبیه‌سازی‌های پیشرفته رایانه‌ای نشان می‌دهد افزودن تنها یک اتم لیتیوم به سطح بیرونی حلقه‌های نانویی کربنی، می‌تواند پاسخ‌های نوری غیرخطی این مواد را به شکل چشمگیری افزایش دهد؛ دستاوردی که مسیر طراحی نسل آینده تجهیزات فوتونیکی، مخابرات نوری و سامانه‌های لیزری را هموارتر می‌کند.

به گزارش شبکه خبری ICTPRESS به نقل از ستاد نانو، پژوهشگران با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیشرفته موفق شده‌اند راهکاری مؤثر برای افزایش عملکرد مواد آلی مورد استفاده در فناوری‌های فوتونیکی ارائه کنند.

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد آلایش یک حلقه نانویی کربنی با تنها یک اتم لیتیوم، توانایی این ماده را در برهم‌کنش‌های نوری غیرخطی به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد؛ ویژگی‌ای که می‌تواند در توسعه نسل جدید تجهیزات اپتیکی و سامانه‌های پردازش نور نقش مهمی ایفا کند.

نتایج این پژوهش در نشریه کمیکال فیزیکس (Chemical Physics) منتشر شده است.

مواد دارای خواص نوری غیرخطی یکی از ارکان اصلی فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند لیزرها، کلیدهای نوری، سامانه‌های مخابرات نوری و پردازش اطلاعات با نور به شمار می‌روند. در این دسته از مواد، رفتار نور دیگر از قوانین ساده اپتیک خطی پیروی نمی‌کند و شدت نور ورودی می‌تواند ویژگی‌های نوری ماده را تغییر دهد. به همین دلیل، توسعه موادی با پاسخ نوری قوی‌تر همواره یکی از اهداف مهم پژوهشگران در حوزه فوتونیک بوده است.

در سال‌های اخیر، مولکول‌های آلی مبتنی بر کربن به دلیل قابلیت بالای تنظیم خواص الکترونیکی، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. یکی از شناخته‌شده‌ترین اعضای این خانواده، سیکلوپارافنیلن‌ها (Cycloparaphenylenes) هستند؛ مولکول‌هایی حلقه‌ای که از اتصال واحدهای بنزن تشکیل شده‌اند و به دلیل شکل ویژه خود، ویژگی‌های الکترونیکی و نوری منحصربه‌فردی دارند.

پژوهش‌های پیشین نشان داده بود که افزودن اتم لیتیوم به یک حلقه کربنی متشکل از ۱۰ واحد بنزن، می‌تواند عملکرد نوری آن را بهبود ببخشد. با این حال، علت دقیق این پدیده و همچنین تأثیر اندازه حلقه بر این ویژگی‌ها تاکنون به‌خوبی روشن نشده بود.

برای پاسخ به این پرسش، پژوهشگران این بار مولکول بزرگ‌تری شامل ۱۲ حلقه بنزن موسوم به [۱۲] سیکلوپارافنیلن ([۱۲]Cycloparaphenylene) را مورد بررسی قرار دادند. این ساختار نسبت به نمونه‌های کوچک‌تر، تنش مولکولی کمتری دارد و از نظر پایداری شرایط مناسب‌تری برای مطالعه فراهم می‌کند.

در این پژوهش، رفتار مولکول در دو حالت مختلف شبیه‌سازی شد؛ زمانی که اتم لیتیوم در داخل حلقه قرار می‌گیرد و زمانی که روی سطح بیرونی حلقه جای می‌گیرد. همچنین عملکرد این ساختار با سایر ترکیبات کربنی مشابه، از جمله نانوتسمه‌های کربنی، مقایسه شد.

نتایج نشان داد قرار گرفتن اتم لیتیوم در بخش بیرونی حلقه، به‌مراتب عملکرد نوری بهتری نسبت به سایر حالت‌ها ایجاد می‌کند. در این آرایش، مقدار ابرقطبش‌پذیری مرتبه اول» که یکی از مهم‌ترین شاخص‌های سنجش قدرت پاسخ نوری غیرخطی مواد است، به ۳۸۵٫۷۰ × ۱۰⁻³⁰ در واحد استاندارد اندازه‌گیری رسید؛ رقمی که از تمامی نمونه‌های مشابه گزارش‌شده تاکنون، از جمله حلقه‌های ۱۰ عضوی آلاییده با لیتیوم، بالاتر است.

پژوهشگران علت این افزایش چشمگیر را حاصل یک اثر هم‌افزایی میان دو پدیده می‌دانند. نخست، ساختار بزرگ حلقه کربنی به دلیل آروماتیسیته طبیعی خود، بستری مناسب برای جابه‌جایی الکترون‌ها فراهم می‌کند. آروماتیسیته به حالتی گفته می‌شود که در آن الکترون‌ها به‌صورت اشتراکی در سراسر حلقه مولکولی توزیع شده و موجب افزایش پایداری و خواص الکترونیکی ماده می‌شوند.

در کنار این ویژگی، حضور اتم لیتیوم موجب انتقال بار الکتریکی در سراسر مولکول می‌شود. این انتقال بار، اختلاف انرژی لازم برای جابه‌جایی الکترون‌ها را کاهش می‌دهد و در نتیجه، ماده با سهولت بیشتری در برابر تابش نور برانگیخته می‌شود. حاصل این دو پدیده، افزایش قابل توجه پاسخ نوری غیرخطی ماده است.

تحلیل‌های تصویری انجام‌شده نیز نشان دادند که بخش عمده این پاسخ نوری در صفحه اصلی چارچوب کربنی متمرکز است و نقش اتم لیتیوم بیشتر در تحریک و تسهیل انتقال بار الکتریکی خلاصه می‌شود، نه در ایجاد مستقیم پاسخ نوری.

بر اساس نتایج این مطالعه، [۱۲] سیکلوپارافنیلن آلاییده با لیتیوم یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌ها برای تولید مواد آلی با عملکرد نوری بسیار بالا به شمار می‌رود. پژوهشگران معتقدند این تحقیق مجموعه‌ای از اصول طراحی را برای توسعه نسل جدید مواد فوتونیکی مبتنی بر کربن ارائه می‌کند و نشان می‌دهد شکل مولکول، نحوه توزیع الکترون‌ها و انتقال بار چگونه می‌توانند در کنار یکدیگر عملکرد نهایی ماده را تعیین کنند.

جالب آنکه محاسبات ترمودینامیکی نشان می‌دهد اتم لیتیوم از نظر انرژی، تمایل بیشتری به قرار گرفتن در داخل حلقه دارد، اما در دمای اتاق می‌تواند به‌راحتی به موقعیت بیرونی نیز منتقل شود؛ جایگاهی که بیشترین فعالیت نوری را ایجاد می‌کند. این ویژگی می‌تواند در طراحی و ساخت مواد عملی برای کاربردهای صنعتی اهمیت زیادی داشته باشد.

پژوهشگران در پایان تأکید کرده‌اند که اگرچه این نتایج بر پایه شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای به دست آمده است، اما می‌تواند نقشه راه ارزشمندی برای ساخت و آزمایش مواد جدید در آینده باشد.

به اعتقاد آن‌ها، شناخت دقیق ارتباط میان ساختار مولکولی و رفتار نوری، مسیر توسعه قطعات پیشرفته مبتنی بر کربن را برای کاربرد در تجهیزات فوتونیکی، سامانه‌های مخابرات نوری، پردازش اطلاعات نوری و فناوری‌های اپتیکی نسل آینده هموار خواهد کرد.