پرواسکایتها، موادی که توانایی شگفتانگیزی در جذب و انتشار نور دارند، مدتهاست توجه دانشمندان و مهندسان را به خود جلب کردهاند. این مواد، علاوه بر ارزان بودن، انعطافپذیر و قابل تنظیم هستند و میتوانند در طیف وسیعی از فناوریها از سلولهای خورشیدی و LEDها گرفته تا آشکارسازهای سریع اشعه ایکس به کار روند.
اما در حالی که پرواسکایتها وعدههای بزرگی برای آینده فناوریهای نوری و انرژی ارائه میدهند، یک مشکل مهم وجود دارد: ناپایداری و پیچیدگی ساختار اتمی آنها. کنترل دقیق لایهها و اتمها در این مواد دشوار است و همین مسئله باعث شده تا بسیاری از دستگاههای مبتنی بر پرواسکایت تاکنون تنها در آزمایشگاهها باقی بمانند و امکان تولید صنعتی آنها محدود باشد.
اینجاست که نقش علومپایه اهمیت پیدا میکند. پیشرفت در فیزیک حالت جامد، شیمی مواد و مدلسازیهای نظری به پژوهشگران کمک میکند تا رفتار اتمها و الکترونها در پرواسکایتها را بهتر درک کنند، منابع ناپایداری را بشناسند و مسیرهایی برای طراحی ساختارهای پایدارتر ارائه دهند. باشگاه علوم پایه و فناوری یونسکو نیز با ترویج پژوهشهای بنیادی و حمایت از نسل جوان دانشمندان، نقشی کلیدی در توسعه این بینش علمی ایفا میکند.
کنترل اتمها یک لایه در یک زمان
اکنون پژوهشگران دانشگاه کمبریج روشی یافتهاند که میتواند این محدودیت را به شکلی بیسابقه برطرف کند. آنها موفق شدهاند لایههای فوقالعاده نازک پرواسکایت را با نظم اتمی کامل رشد دهند و ساختاری لایهبهلایه ایجاد کنند که انرژی و نور را بهصورت دقیق و کنترلشده منتقل میکند. این ساختار جدید را آنها «ساندویچ انرژی» نامیدهاند.
برای رسیدن به این سطح از دقت، تیم پژوهشی از تکنیکی مبتنی بر بخار استفاده کرد و پرواسکایتهای سهبعدی و دوبعدی را یک لایه در هر مرحله رشد داد. این روش امکان کنترل ضخامت لایهها تا کسری از یک اتم را فراهم کرد و به پژوهشگران اجازه داد تا رفتار نور و الکترونها در هر لایه را با دقت بیسابقهای بررسی کنند. چنین کنترلی پیش از این در دستگاههای لایهای پرواسکایت تقریباً غیرممکن بود، زیرا ساختار اتمی این مواد بهشدت نامنظم و دشوار برای کنترل است.
در این دستاورد، علومپایه نقشی فراتر از توضیح پدیدهها ایفا میکند؛ زیرا ابزارهای مفهومی و محاسباتیای که از دل فیزیک کوانتومی، طیفسنجی پیشرفته و شیمی حالت جامد بهدست آمدهاند، به پژوهشگران اجازه میدهند تا نهتنها ساختارها را ببینند، بلکه بتوانند پیشبینی کنند کدام نوع چیدمان اتمی بهترین عملکرد نوری را ایجاد میکند. در واقع، این پیشرفت نشان میدهد که ترکیب نظریههای بنیادی با فناوریهای نوین ساخت، چگونه میتواند مسیر خلق معماریهای کاملاً جدید در مواد را هموار کند.
پرواسکایتها در مسیر تولید صنعتی
دکتر یانگ لو، نویسنده همکار اول این مطالعه از دانشگاه کمبریج، درباره اهمیت این دستاورد میگوید: «امید ما این بود که بتوانیم یک کریستال پرواسکایت کامل بسازیم و ترکیب شیمیایی آن را لایه به لایه تغییر دهیم. این دقیقاً همان کاری است که انجام دادیم. میتوان این فرآیند را مانند ساخت یک نیمههادی از صفر تصور کرد، لایه اتمی به لایه اتمی، اما با موادی که پردازش آنها بسیار آسانتر و ارزانتر است.»
به گفته پژوهشگران، این پیشرفت میتواند مسیر تولید انبوه دستگاههای پرواسکایت را هموار کند و استفاده از این مواد در صنایع مختلف را به مرحله عملیاتی نزدیکتر کند. با فرآیندی مشابه با آنچه در ساخت نیمههادیهای تجاری به کار میرود، پرواسکایتها میتوانند به یک گزینه صنعتی پایدار و مقرونبهصرفه تبدیل شوند.
کنترل انرژی و افزایش عمر الکترونها
یکی دیگر از جنبههای مهم این پژوهش، توانایی مهندسی پیوند بین لایهها بود. پژوهشگران توانستند تعیین کنند که آیا الکترونها و حفرهها کنار هم باقی بمانند یا از هم جدا شوند. آنها موفق شدند اختلاف انرژی بین لایهها را بیش از نیم الکترونولت تنظیم کنند و در برخی موارد، عمر الکترونها و حفرهها را به بیش از ۱۰ میکروثانیه افزایش دهند.
این کنترل دقیق، تأثیر مستقیمی بر کارایی دستگاههای نوری و الکترونیکی دارد. مطالعه منتشرشده در مجله Science نشان میدهد که این سطح از دقت میتواند زمینه را برای ساخت دستگاههای مقیاسپذیر و با عملکرد بالا فراهم کند، از لیزرها و آشکارسازهای نوری گرفته تا فناوریهای کوانتومی نسل بعدی. چنین دستاوردهایی اهمیت ترویج علوم بنیادی را دوچندان میکند؛ همان مسیری که باشگاه علوم پایه و فناوری یونسکو با حمایت از آموزش، پژوهش و نوآوری دنبال میکند و به پرورش نسل جدیدی از محققان توانمند در این حوزهها یاری میرساند.
نگاه به آینده
پرواسکایتهای هالیدی با ویژگیهای اپتوالکترونیکی برجسته، حالا با تکنیک «ساندویچ انرژی» میتوانند پایهای برای نسل جدیدی از فناوریهای نور محور باشند. تصور کنید سیستمهای خورشیدی کارآمدتر، لیزرهای پیشرفته، حسگرهای نوری سریعتر و دستگاههای الکترونیکی با دقت اتمی که همه با کنترل لایه به لایه ساخته شدهاند. این پژوهش نشان میدهد که پرواسکایتها نه تنها یک چشمانداز علمی جذاب هستند، بلکه گامی واقعی به سوی آیندهای روشن و پایدار در دنیای فناوری محسوب میشوند. با دستاوردهای جدید، پرواسکایتها میتوانند به یکی از اصلیترین مواد برای نسل بعدی دستگاههای انرژی و نور تبدیل شوند و راه را برای فناوریهای سریعتر، ارزانتر و کارآمدتر باز کنند.
درست در این نقطه است که نقش علومپایه بیش از همیشه معنا پیدا میکند؛ زیرا هر پیشرفت صنعتی پایدار، بر شانه کشفهای بنیادی استوار است. تلاشهایی که نهادهایی مانند باشگاه علوم پایه و فناوری یونسکو در ترویج آنها انجام میدهند، یادآور این حقیقتاند که آینده فناوری از دل فهم عمیق طبیعت ساخته میشود.
منبع: SCI