استفاده از نانولوله‌ها در بررسی فرایند انتقال فاز

انتقال فاز (تغییر ماده از حالتی به حالت دیگر بدون تغییر در ترکیب شیمیایی)
بخش مهمی از زندگی را در دنیای سه‌بعدی ما تشکیل می‌دهد. آب به شکل برف از
آسمان به زمین می‌افتد، سپس ذوب شده و به آب تبدیل می‌شود و در نهایت تبخیر شده
و ابرها را تشکیل می‌دهد تا این چرخه از نو تکرار شود.

حال گروهی از دانشمندان راهی برای بررسی چگونگی عملکرد این تغییرهای فاز در
کمتر از سه بعد و در سطح تنها چند اتم ابداع کرده‌اند. آنها امیدوارند با
استفاده از این روش بتوانند جنبه‌های مختلف چیزی را که تاکنون فیزیک تئوری بوده
است، بررسی کنند. آنها همچنین امید دارند این روش بتواند کاربردهای عملی در
حوزه حسگری در مقیاس‌های بسیار کوچک (همچون غشاء سلول‌ها) داشته باشد.

آنها از نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره برای مطالعه رفتار انتقال فاز اتم‌های
آرگون و کریپتون استفاده نمودند. دیوید کوبدن، استادیار فیزیک دانشگاه واشینگتن
و مسئول این کار پژوهشی می‌گوید: «فیزیک در کمتر از سه بعد می‌تواند کاملاً
متفاوت باشد».

این گروه برای مشاهدات خود از نانولوله‌های کربنی بهره بردند؛ نانولوله‌های
کربنی استوانه‌های میکروسکوپی هستند که ضخامت بسیار کمی داشته، اما شبیه به یک
ماده یک‌بعدی هستند.

انتقال فاز چگالی اتم‌ها را تغییر می‌دهد. در فاز بخار در یک حجم مشخص تعداد
اتم‌های کمتری وجود داشته و اتم‌ها فشردگی بسیار کمتری دارند. در مایعات تعداد
اتم‌ها بیشتر بوده و فشردگی بالاتر است. جامد، بلوری است که اتم‌ها در آن به
شدت کنار هم فشرده شده‌اند. این محققان برای تعیین فاز اتم‌های آرگون و
کریپتون، از نانولوله‌های کربنی مثل یک تار گیتار استفاده نمودند که هنگام
تهییج کشیده می‌شود. یک قطعه فلزی رسانا که در همان نزدیکی قرار دارد، برای
ارتعاش این تار یک نیروی الکتریکی وارد می‌کند و دانشمندان این جریان را اندازه
گرفتند تا به تغییر فرکانس ارتعاش «گوش دهند». هر چقدر جرم بیشتری از اتم‌ها به
سطح نانولوله چسبیده باشد، فرکانس ارتعاش پایین‌تر است.

کوبدن می‌گوید: «شما به این نانوگیتار گوش می‌دهید و با بم شدن صدا متوجه
می‌شوید که اتم‌های بیشتری به سطح چسبیده‌اند. در تئوری شما می‌توانید نشستن یک
اتم را روی نانولوله بشنوید؛ حساسیت تا این اندازه بالاست».

این دانشمندان دریافتند که با چسبیدن اتم‌های کریپتون به سطح نانولوله، مقاومت
الکتریکی آن تغییر می‌کند. آنها امیدوارند در آینده دریابند که چگونه اتم‌هایی
که روی نانولوله نشسته‌اند، در طول فرایند انتقال فاز با یکدیگر برهمکنش
می‌کنند و همچنین چگونه این اتم‌ها چگونه با کربن خالص نانولوله اثر متقابل
دارند. آنها انتظار دارند تفاوت‌های زیادی در آزمایش‌هایی که یک‌بعدی هستند با
آزمایش‌هایی که دو یا سه‌بعدی هستند، مشاهده کنند.

کوبدن می‌افزاید: «به‌عنوان مثال ماده می‌تواند در دو یا سه بعد منجمد شود، ولی
نباید در یک بعد منجمد شود».

علاوه بر ایجاد یک بستر آزمایشی برای تئوری‌های فیزیک، این کار می‌تواند در
کاربردهای حسگری به‌کار رود.