موضوع مقاله: نقص استون-ولز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نقص استون-ولز | مقدمه: این نقص در موادی با ساختار شبکه‌ای شش ضلعی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و فولرن‌ها مشاهده می‌شود. | ## بخش 1: نقص استون-ولز | اهمیت بنیادین نقص استون-ولز در این است که برخلاف بسیاری از نقص‌های بلوری دیگر (مانند جای‌خالی یا ناخالصی)، در این پدیده هیچ اتمی به ساختار اضافه یا از آن کم نمی‌شود. به عبارت دیگر، استوکیومتری ماده ثابت می‌ماند و تنها «همبندی» اتم‌ها تغییر می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که نقص استون-ولز به عنوان یک مدل عالی برای مطالعه پلاستیسیته، تغییرات الکترونیکی و واکنش‌های شیمیایی در سطح نانو شناخته شود. ساختار هندسی و مکانیزم تشکیل برای درک عمیق نقص استون-ولز، ابتدا باید ساختار ایده‌آل گرافن را تصور کنیم. گرافن صفحه‌ای از اتم‌های کربن است که با هیبریداسیون sp2 در حلقه‌های شش‌ضلعی منتظم (مانند کندوی عسل) کنار هم قرار گرفته‌اند. تصور کنید دو اتم کربن که با یک پیوند کووالانسی به هم متصل هستند، مرکز یک تحول باشند. اگر این پیوند میانی به اندازه ۹۰ درجه حول مرکز خود بچرخد، ساختار شبکه در هم می‌ریزد. جزئیات ساختاری در این آرایش جدید، اتم‌های کربن همچنان سه همسایه دارند و پیوندها اشباع شده‌اند، بنابراین هیچ «پیوند آویزان» یا الکترون جفت نشده‌ای به وجود نمی‌آید. با این حال، طول پیوندها و زوایای پیوندی تغییر می‌کنند: پیوند مشترک: پیوند مشترک بین دو هفت‌ضلعی معمولاً کوتاه‌تر می‌شود. تاریخچه و کشف نام این نقص برگرفته از نام‌های آنتونی استون و دیوید ولز، دو شیمیدان برجسته است. در دانشگاه کمبریج، مقاله‌ای کلیدی منتشر کردند که در آن زمان ارتباط مستقیمی با گرافن یا نانولوله‌ها نداشت (چرا که نانولوله‌ها در سال ۱۹۹۱ کشف شدند). آن‌ها به دنبال پاسخ این سؤال بودند که چگونه قفس‌های کربنی کروی می‌توانند اتم‌های خود را بازآرایی کنند تا به پایدارترین حالت انرژی برسند. آن‌ها پیشنهاد کردند که یک چرخش پیوند ساده (که بعدها چرخش استون-ولز نام گرفت) می‌تواند باعث حرکت حلقه‌های پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی روی سطح کره شود. این مکانیزم ایزومریزاسیون، کلید درک چگونگی تبدیل ساختارهای مختلف کربنی به یکدیگر بود. بعدها مشخص شد که این مکانیزم در تمام شبکه‌های کربنی sp2 (مسطح و لوله‌ای) نیز صادق است. ترمودینامیک: انرژی و پایداری یکی از سوالات اساسی فیزیک‌دانان این است: آیا این نقص خود به خودی ایجاد می‌شود؟ | ## بخش 2: نقص استون-ولز | سد فعال‌سازی حتی اگر انرژی نهایی نقص ۵ الکترون‌ولت باشد، برای رسیدن به آن باید از یک «سد انرژی» بسیار بلندتر عبور کرد. این سد عظیم تضمین می‌کند که گرافن در حالت عادی بسیار پایدار است و به راحتی دچار این نقص نمی‌شود. شبه‌پایداری نکته جالب اینجاست که وقتی نقص استون-ولز تشکیل شد، به راحتی از بین نمی‌رود. این نقص یک حالت شبه‌پایدار دارد؛ یعنی اگرچه انرژی آن از حالت ایده‌آل بیشتر است، اما یک سد انرژی بازگشتی مانع از آن می‌شود که اتم‌ها فوراً به جای خود برگردند. نقص استون-ولز می‌تواند برای میلیون‌ها سال در دمای اتاق در ساختار باقی بماند، مگر اینکه به آن حرارت داده شود (فرایند بازپخت) تا انرژی لازم برای بازگشت به حالت شش‌ضلعی را پیدا کند. تأثیر بر خواص الکترونیکی حضور نقص استون-ولز، تقارن زیبای شبکه گرافن را برهم می‌زند و این موضوع تأثیرات عمیقی بر رفتار الکترون‌ها دارد. پراکندگی حامل‌های بار در گرافن بی‌نقص، الکترون‌ها با سرعت بسیار بالا و بدون مقاومت زیاد حرکت می‌کنند (رسانایی بالستیک). این نقص باعث پراکندگی امواج الکترونی می‌شود که نتیجه آن کاهش تحرک‌پذیری و هدایت الکتریکی است. مطالعات نشان داده‌اند که معرفی نقص‌های استون-ولز با چگالی و نظم خاص، می‌تواند باعث باز شدن یک شکاف انرژی کوچک در گرافن شود. این ویژگی بسیار حیاتی است، زیرا برای ساخت ترانزیستورهای گرافنی و مدارهای منطقی دیجیتال، وجود شکاف انرژی ضروری است. حالت‌های موضعی در محل نقص، تراکم الکترونی تغییر می‌کند و حالت‌های انرژی جدیدی در نزدیکی تراز فرمی ایجاد می‌شود. این حالت‌ها می‌توانند باعث شوند که گرافن در ناحیه نقص خواص پارامغناطیس از خود نشان دهد. مکانیزم پلاستیسیته (شکل‌پذیری) گرافن به عنوان قوی‌ترین ماده شناخته شده، بسیار ترد و شکننده است. اما اگر تحت کشش شدید و دمای بالا قرار گیرد، نقص‌های استون-ولز شروع به شکل‌گیری می‌کنند. حرکت و جدا شدن جفت‌های ۵–۷ اجازه می‌دهد که شبکه کربنی «کش بیاید» و تغییر شکل پلاستیک دهد. این پدیده باعث می‌شود نانولوله‌های کربنی بتوانند تا حد زیادی خم شوند بدون آنکه بشکنند. | ## بخش 3: نقص استون-ولز | نقاط ضعف و شکست از سوی دیگر، پیوندهای موجود در حلقه‌های هفت‌ضلعی (به ویژه پیوند اتصال‌دهنده دو هفت‌ضلعی) تحت کشش زیادی هستند و ضعیف‌تر از پیوندهای عادی C-C عمل می‌کنند. محاسبات دینامیک مولکولی نشان می‌دهد که استحکام کششی نهایی گرافن حاوی نقص استون-ولز حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد کمتر از گرافن سالم است.Zhou, L. واکنش‌پذیری شیمیایی و عامل‌دار کردن در صفحه گرافن سالم، ابر الکترونی π بسیار پایدار و غیر مستقر است و تمایل کمی به واکنش دیگر دارد (لخت شیمیایی). اما در محل استون-ولز، بنا به دلیل انحنای موضعی و تغییر زوایا، اوربیتال‌های کربن از حالت sp2 تخت خارج شده و خصلتی شبیه به sp3 (هرمی) پیدا می‌کنند. اتصال داروها: برای استفاده از نانولوله‌ها در دارورسانی، باید مولکول‌های دارویی را به سطح آن‌ها چسباند. نقص استون-ولز در نانولوله‌های کربنی در نانولوله‌های کربنی (CNTs)، اثر این نقص حتی دراماتیک‌تر است. نانولوله‌ها بر اساس زاویه پیچش خود (کایرالیته) می‌توانند فلز یا نیمه‌رسانا باشند. ایجاد یک جفت نقص استون-ولز در دیواره نانولوله می‌تواند باعث تغییر قطر و تغییر زاویه پیچش لوله شود. این یعنی یک نقص استون-ولز می‌تواند یک نانولوله را در میانه راه از یک‌نیمه‌رسانا به یک فلز (یا برعکس) تبدیل کند. این پدیده منجر به ایجاد اتصالات درون‌مولکولی می‌شود که در ساخت دیودها و ترانزیستورهای تک‌مولکولی کاربرد دارد. با این حال، پیشرفت‌های تکنولوژی نانو امکان مشاهده مستقیم این نقص را فراهم کرده است: میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM): با استفاده از ولتاژهای پایین (برای جلوگیری از تخریب نمونه) و اصلاح‌کننده‌های بیراهه نوری، محققان توانسته‌اند تصاویر واقعی از حلقه‌های پنج و هفت ضلعی در کنار هم ثبت کنند.Stone, A. میکروسکوپ تونلی روبشی (STM): این دستگاه با تصویربرداری از چگالی الکترونی سطح، الگوهای موج ایستاده‌ای را در اطراف نقص نشان می‌دهد که امضای الکترونیکی نقص استون-ولز است. چشم‌انداز آینده در گذشته، نقص‌ها به عنوان عوامل نامطلوب شناخته می‌شدند که باید حذف می‌شدند. امروزه دانشمندان به دنبال روش‌هایی هستند تا به صورت کنترل‌شده (مثلاً با استفاده از تابش پرتوهای الکترونی متمرکز یا یون‌ها)، نقص‌های استون-ولز را در نقاط خاصی از گرافن یا نانولوله «بکارند». نانوساختارهای پیچیده سه‌بعدی با خم کردن صفحات گرافن ساخت؛ بنابراین، نقص استون-ولز تنها یک بی‌نظمی ساده نیست؛ بلکه ابزاری قدرتمند در جعبه‌ابزار فناوری نانو برای طراحی مواد نسل آینده است. | ## جمع‌بندی | این پدیده ثابت می‌کند که در دنیای کوانتومی نانو، حتی «نقص‌ها» نیز می‌توانند «کامل» و مفید باشند.