طريقة جديدة لنمو النانوصفائح قد تفتح آفاقًا للإلكترونيات الأفضل

قامت مجموعة من الباحثين مؤخرًا بنشر دراسة مفصلة تستكشف طريقة جديدة لنمو النانوصفائح لديها القدرة على تحسين الإلكترونيات بشكل كبير. تتطلب الطريقة طاقة وتكاليف أقل وتوفر اتساقًا أكبر مقارنة بالعمليات الحالية. إليك كل ما تحتاج إلى معرفته.

نانوصفائح CsPbBr3

النانوصفائح هي أوراق رقيقة دقيقة من المادة. يمكن استخدام هذه الأوراق لأغراض متعددة حسب المادة وخصائصها. اليوم، يمكنك العثور على هذه الأجهزة في العديد من أهم المستشعرات، الصمامات الضوئية (LEDs)، وحتى الألواح الشمسية. يعود انتشار استخدامها إلى الخصائص الفيروكهربية التي تظهرها بعض الأنواع.

من الجدير بالذكر أن المواد الفيروكهربية يمكنها الحفاظ على استقطابها الذي يمكن عكسه عند اكتشاف الجهد. وبالتالي، تلعب أدوارًا حيوية في العديد من الهياكل التقنية الحديثة. ومع ذلك، هناك بعض العيوب في الطرق الحالية المستخدمة لإنشاء هذه الميكروكريستالات المفيدة.

مشكلات النانوصفائح CsPbBr3 الحالية

عدة مشكلات حدت من استخدام نانوصفائح CsPbBr3؛ المشكلة الرئيسية في عمليات التصنيع الحالية هي أنها مكلفة جدًا. يتطلب إنشاء بلورات CsPbBr3 عالية الجودة درجات حرارة مرتفعة وأجهزة متخصصة ولا يمكنه إنتاج بلورات أكبر وأكثر فائدة بشكل موثوق. إدراكًا لهذه النقائص، قدم الفريق تقنية جديدة لإنشاء البلورة اللازمة لتصنيع نانوصفائح CsPbBr3 الكبيرة والموثوقة.

دراسة نانوصفائح CsPbBr3

نُشرت الدراسة بعنوان “النمو السولفوثرمي القريب من درجة حرارة الغرفة للبلورات الفيروكهربية CsPbBr3 بنانوصفائح ذات تيار مظلم منخفض للغاية” في مجلة العلوم Advanced Materials هذا الشهر. تشرح كيف تمكن المهندسون من استخدام طريقة جديدة تعتمد على المذيب لتحسين الموثوقية، خفض التكاليف، وتعزيز حجم البلورات التي يمكنهم إنتاجها باستمرار.

التركيب السولفوثرمي

تعتمد الطريقة الجديدة للفريق لإنشاء البلورات على عملية تُسمى التركيب السولفوثرمي. في هذه العملية التصنيعية، يُستخدم مادة كيميائية سابقة لتسهيل نمو البلورات. المحلول يعتمد على الكحول ويوفر قابلية ذوبان فائقة، مما يتيح تكوين نانوصفائح أكبر وأكثر تجانسًا. يعاد تشكيل المادة المذابة كصفائح نانوية فائقة الرقة لا يتجاوز سمكها ميكرومترًا واحدًا.

للمقارنة، يمكن أن يتراوح سمك شعر الإنسان بين 30 إلى 80 ميكرومترًا. هذه الصفائح الدقيقة هي الإضافة المثالية للإلكترونيات المتقدمة التي تتطلب مواد خفيفة الوزن وموثوقة يمكن إنتاجها على نطاق واسع وبشكل ميسور. بمجرد أن أنشأ الفريق أجهزته الدقيقة، حان الوقت لاختبار نظريته.

اختبارات نانوصفائح CsPbBr3

أجرى المهندسون عدة اختبارات على نانوصفائح CsPbBr3. بدأوا باختبار الخصائص الكهربائية، ثم الضوء، ثم المتانة والاتساق. لضمان الحصول على نتائج دقيقة، استُخدمت طرق اختبار متعددة.

مجهر القوة الكهروضغطية (Piezoresponse Force Microscopy)

كان أحد النقاط الرئيسية هو القدرة الكهربائية للنانوصفائح الجديدة. احتاج الباحثون إلى اختبار هذه الخصائص للتأكد من أن الوحدات تحتفظ بالتوصيل. على وجه التحديد، أرادوا معرفة الكمية، المدة، والفعالية. لاحظ الفريق وجود الفيروكهربية في نقاط الكم CsPbBr3 وتمكنوا من قياس الاستجابة الميكانيكية المحددة للبلورات عبر حقول كهربائية مختلفة.

توليد التوافقي الثاني (Second Harmonic Generation)

كان الباحثون مهتمين أيضًا بقدرة هذه الأجهزة على التقاط الضوء وحساسيته. دمجوا اختبار توليد التوافقي الثاني لمعرفة الترددات الضوئية التي تنتجها البلورات عند تيارات معينة. ساعد هذا الاختبار الفريق على فهم أفضل لقدرات اكتشاف الضوء للميكروبلورات.

النتائج

تتحدث نتائج عمل الفريق عن نفسها. تم إنشاء النانوكريستالات بنجاح. بالإضافة إلى ذلك، نجحوا في الحفاظ على خصائص الفيروكهربية للبلورات السابقة وتجاوزها، مما يعني أن الطريقة الجديدة أنتجت بلورات أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وحساسية.
كما كشف الاختبار أن طريقة النمو الجديدة لهذه الوحدات كانت ناجحة. تمكن الباحثون من تخليق بلورات CsPbBr3 فيروكهربية ضخمة باستخدام هذا النهج، وهو أول مرة في هذا القطاع. يمكن أن تُحدث هذه القدرة ثورة في السوق من خلال تمكين المطورين من دمج مستشعرات أكثر حساسية وفعالية في إلكترونياتهم دون رفع الأسعار. على وجه الخصوص، أظهر الاختبار أن الميكروبلورات الجديدة أكثر فعالية في اكتشاف الضوء بمقدار 100 مرة مقارنةً بسابقتها.

الفوائد

هناك عدة فوائد يجلبها هذا البحث إلى السوق. لسنوات، سعى المهندسون إلى إيجاد طرق لإنشاء مستشعرات ضوئية أكثر حساسية وأجهزة أخف وزنًا. هذه الوحدات حيوية في الإلكترونيات الحديثة، وإنتاج الطاقة، وصناعات علم المواد. توفر النانوصفائح حلاً قابلاً للتطبيق لهذه القضايا لأنها صغيرة، خفيفة الوزن، وعند تصنيعها بشكل صحيح تكون متينة.

قرب درجة حرارة الغرفة

أحد أكبر الفوائد التي تقدمها طريقة تشكيل البلورات الجديدة هو القدرة على إنشاء النانوصفائح عند درجة حرارة قريبة من الغرفة. استخدام المذيبات بدلاً من الحرارة الشديدة أو الإشعاع يفتح الباب أمام عمليات تصنيع أقل اضطرابًا. يلغي النهج الجديد الحاجة إلى أجهزة عالية الطاقة، مما يمكّن المزيد من المصنعين من تبني هذه الطرق مع تقليل التكاليف.

إنشاء بلورات على نطاق واسع

يتزايد الطلب على النانوصفائح، وستساعد هذه الدراسة الأخيرة في تلبية هذا الطلب. كان إنشاء دفعات كبيرة من نانوصفائح CsPbBr3 صعبًا في الماضي. على سبيل المثال، لم تدعم العمليات الأولية إنشاء دفعات من البلورات. يوفر هذا النهج الجديد تجانسًا عبر عملية التصنيع، مما يمكّن المهندسين من إنتاج نانوصفائح CsPbBr3 متينة بسهولة.

خفض التكاليف

إن إنشاء النانوصفائح باستخدام الطرق الحالية مكلف. الأدوات المتخصصة التي تتحمل درجات حرارة عالية على مستوى الميكرو صعبة الاستخدام، محدودة التوفر، ومكلفة في التصميم، التصنيع، التوزيع، والصيانة. باستخدام مكونات مذيبة قائمة على الكحول، يفتح العديد من هذه المتطلبات الباب أمام اعتماد واسع النطاق لعملية تصنيع النانوصفائح هذه في المستقبل.

خصائص كهربائية أفضل

توفر طريقة المحلول المذيبي توصيلًا كهربائيًا واستقطابًا أفضل مقارنةً بالتقنيات التصنيعية السابقة. يمكن أن تساعد هذه الخصائص المهندسين على صنع ألواح شمسية، صمامات ضوئية (LEDs)، ومعدات رصد بصري أكثر فعالية.

أجهزة أصغر

سبب رئيسي آخر يدفع الصناعة إلى الاهتمام بهذه الدراسة هو أن النانوصفائح تُعد مكونات حاسمة في الميكروإلكترونيات الحديثة. تجعل طريقة المحلول المذيبي من السهل إنشاء صفائح صغيرة وموثوقة يمكن تركيبها على روبوتات نانوية أو ميكروية أخرى. تُنظر إلى هذه الأجهزة الدقيقة من قبل الكثيرين كالمستقبل للعديد من الصناعات.

الباحثون

قدمت الدراسة فريقًا من المهندسين بقيادة جوكول أنيلكومار، الدكتور رحمن الدكتور غوتام شيت، والبروفيسور بافان كومار من IISER، والدكتور سويون هوانغ من مختبر بروك هيفن الوطني. جلب كل عضو من الفريق مهاراته الخاصة إلى المشروع مما مكن المجموعة من إجراء مجموعة متنوعة من الاختبارات عبر طيف واسع باستخدام أحدث النماذج.

التطبيقات المحتملة

هناك عدة تطبيقات محتملة للنانوصفائح عبر الصناعات. تُعد هذه الأجهزة أساسية في الاقتصاد الحالي، حيث تُستخدم لصنع مواد أقوى، منع انتشار الأمراض، وأكثر من ذلك. إليك أهم التطبيقات المحتملة لنانوصفائح CsPbBr3 التي توصل إليها الفريق.

مستشعر فائق الحساسية

أحد الاستخدامات الرئيسية لهذا الاكتشاف هو إدخال كواشف ضوئية فائقة الحساسية. يمكن لهذه المستشعرات أن تمهد لعصر جديد من الألواح الشمسية عالية القدرة التي تكون حساسة بما يكفي لجمع الضوء من مصادر ضعيفة مثل سماء الليل. إذا نجحت، ستحصل الطاقة الشمسية على دفعة كبيرة في الموثوقية، الكفاءة، والحجم، حيث يمكن أن تكون الألواح الجديدة أكثر فعالية بكثير من النماذج القديمة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن إعداد المستشعرات لإنشاء معدات أمان ومراقبة أفضل. تستطيع هذه المستشعرات اكتشاف أدنى كمية من الطاقة الناتجة عن الضوء أو الأشعة السينية أو مصادر إشعاع أخرى. وبالتالي، يمكن أن تجعل أماكن العمل أكثر أمانًا من خلال توفير طرق اكتشاف أكثر موثوقية.

الحماية وإدارة الحرارة

استخدمت صناعة الفضاء النانوصفائح منذ فترة طويلة للمساعدة في حل العديد من مشكلات علم المواد لديها. يمكن لهذه الأجهزة المساعدة في إدارة الحرارة للمواد تحت ظروف قصوى. على سبيل المثال، يمكن استخدام النانوصفائح لتعزيز أداء المواد عند الدخول أو الخروج من الغلاف الجوي. يمكن لهذه الوحدات الصغيرة أن تساعد في توزيع أو تركيز الحرارة على مناطق رئيسية دون إضافة وزن إضافي للمشروع.

مواد جديدة

تلعب الصفائح دورًا حيويًا في إنشاء مواد جديدة للتصنيع. وبالتالي، يواصل المهندسون اكتشاف مواد جديدة وأكثر موثوقية باستخدام نانوصفائح الجرافين وغيرها. أظهرت هذه الوحدات خصائص حرارية، ميكانيكية، وكهربائية متفوقة. قد يؤدي إدخال أحدث النانوصفائح إلى عصر جديد من المواد الخفيفة الوزن الفائقة القوة.

الرعاية الصحية

هناك عدد متزايد من المتخصصين في الرعاية الصحية الذين يرغبون في محاربة البكتيريا والأمراض على مستوى الميكرو باستخدام النانوصفائح. أظهرت الدراسات أن لهذه الوحدات خصائص مضادة للبكتيريا. وبالتالي، ينظر المصنعون الآن إلى هذه التقنية كوسيلة لتقليل البكتيريا وتحسين طرق توصيل الأدوية. هناك أيضًا متخصصون في الرعاية الصحية يسعون لاستخدام الصفائح النانوية كحاملات نانوية تماثلية حيوية. يمكن إعداد هذه الأجهزة لاستهداف أعضاء معينة أو مناطق أخرى من الجسم، مما يجعلها طريقة مثالية لتوصيل الأدوية والعلاجات إلى مناطق يصعب الوصول إليها.

شركتان قد تستفيدان من دراسة نانوصفائح CsPbBr3

يمكن للعديد من الشركات الاستفادة من دراسة نانوصفائح CsPbBr3 لتحسين عروضها. من الفضاء إلى الرعاية الصحية، ستحدث هذه الأجهزة الصغيرة ثورة في طريقة عمل الإلكترونيات. إليك شركتان يمكنهما دمج هذه التقنية فورًا وملاحظة زيادة في أرباحهما.

1. Novo Nordisk

شركة النانوبيوميديكال الدنماركية Novo Nordisk هي مثال رئيسي على شركة يمكنها دمج عملية تصنيع النانوصفائح المحدثة لتعزيز عروضها. تأسست الشركة في عام 1923 على يد الأخوين هارالد وتورفالد بيدرسن. تجدر الإشارة إلى أن الشركة كانت تعمل ككيانين منفصلين، Novo و Nordsick، حتى عام 1989 عندما اندمجتا لتشكيل Novo Nordisk الحالي.

تُعد Novo Nordisk منافسًا رئيسيًا في مجال النانوبيوميديكال. لعبت الشركة دورًا أساسيًا في إنشاء علاجات جديدة لبعض أسوأ الأمراض الحالية. ومن المثير للاهتمام أن الشركة كانت رائدة في إدخال الأنسولين في عملية العلاج. تمتلك الشركة عدة أدوية في السوق تشمل Levemir، NovoLog، Novolin R، NovoSeven، وأكثر. هذه العلاجات شائعة جدًا وقد جعلت Novo Nordisk واحدة من أبرز شركات الرعاية الصحية في العالم.

اليوم، تمتلك Novo Nordisk مكاتب في 7 دول حول العالم وتوظف آلاف العاملين. سجلت الشركة العام الماضي إيرادات بقيمة 24.31 مليار دولار مع عائد إجمالي متراكم لمدة سنة واحدة بنسبة 23٪. التزام الشركة المستمر بالبحث عن علاجات وعقاقير جديدة، إلى جانب هذا التاريخ المثبت، يجعل Novo Nordisk إضافة قوية لأي محفظة استثمارية.

2. Moderna Inc

(MRNA )

قد تكون على دراية بشركة Moderna لأنها تصدرت العناوين كواحدة من الباحثين الرئيسيين ومبدعي لقاح COVID-19. دخلت الشركة السوق في عام 2010 وسرعان ما ارتفعت إلى الشهرة. تجدر الإشارة إلى أن الشركة كانت تُعرف أصلاً باسم ModeRNA Therapeutics لكنها أعادت تسمية نفسها في عام 2018. من مؤسسيها نوبار ب. أفايان، روبرت س. لانجر جونيور، ديريك روسي، تيموثي أ. سبرينجر، وكينيث ر. تشين.

حظيت Moderna Inc بدعم قوي منذ انطلاقها. خلال جولات التمويل الأولية، نجحت الشركة في تأمين 2 مليار دولار من مستثمرين معروفين وشركات رعاية صحية. ساعد هذا الدعم، إلى جانب الأبحاث القوية، الشركة على إبرام شراكات مع المعهد الوطني الأمريكي للحساسية والأمراض المعدية (NIAID) والسلطة المتقدمة للبحوث والتطوير في المجال البيولوجي (BARDA) لإنشاء لقاح COVID-19.

اليوم، تُعد Moderna منافسًا قويًا في السوق. لا تزال الشركة تصنع لقاحات وتقدم علاجات للأمراض المناعية الذاتية، والأمراض، وخدمات المناعة السرطانية. سجلت إيرادات بقيمة 20.68 مليار دولار العام الماضي وتوظف أكثر من 5 آلاف محترف. بينما شهد سهم Moderna بعض التراجع، فإن موقع الشركة ودعمها القوي من المسؤولين الحكوميين يشيران إلى إمكانية ارتفاع كبير في المستقبل.

طريقة جديدة لنمو النانوصفائح تفتح الباب

تُعد النانوصفائح مكونًا حيويًا للعديد من المكونات التقنية المتقدمة المستخدمة في حياتنا اليومية. تحسين هذه الأجهزة سيساعد على إنشاء معايير جديدة للكفاءة عبر السوق. كما سيوفر للمهندسين فرصًا أكبر لتطوير أجهزة تستهلك طاقة أقل للتشغيل. لهذه الأسباب والعديد غيرها، قد يكون لهذه الدراسة تأثيرًا ثوريًا عبر صناعات متعددة.

تعرّف على مشاريع الروبوتات النانوية الرائعة الأخرى الآن.