نقص استون-ولز

**نقص استون-ولز** (به انگلیسی: Stone–Wales defect) که در متون تخصصی به اختصار SW نامیده می‌شود، یکی از مهم‌ترین و مشهورترین نقص‌های توپولوژیکی در نانوساختارهای کربنی است. این نقص در موادی با ساختار شبکه‌ای شش ضلعی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و فولرن‌ها مشاهده می‌شود. 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.

#### تبدیل هندسی
نقص استون-ولز طی یک فرایند چرخش پیوند ایجاد می‌شود. 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. این چرخش باعث می‌شود که چهار شش‌ضلعی مجاور (که در یک ساختار شبکه‌ای ایده‌آل قرار داشتند) تغییر شکل دهند و به آرایش جدیدی تبدیل شوند که شامل:
* دو حلقه پنج‌ضلعی
* دو حلقه هفت‌ضلعی
است. این آرایش در ادبیات با نماد (۵-۷-۷-۵) یا جفت ۷-۵-۵-۷ شناخته می‌شود.

#### 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.
# کشش و فشار: حلقه‌های پنج‌ضلعی دچار فشردگی و حلقه‌های هفت‌ضلعی دچار کشش می‌شوند. این تغییرات باعث ایجاد یک میدان تنش موضعی در اطراف نقص می‌شود.

## تاریخچه و کشف
نام این نقص برگرفته از نام‌های آنتونی استون و دیوید ولز، دو شیمیدان برجسته است. آن‌ها در سال ۱۹۸۶  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). 

تمرکز اصلی آن‌ها بر روی فولرن‌ها (C60) بود. 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؟ پاسخ به مباحث ترمودینامیک و انرژی بستگی دارد.

#### انرژی تشکیل
نقص استون-ولز یک نقص با انرژی بالاست. محاسبات دقیق کوانتومی (مانند نظریه تابعی چگالی یا DFT) نشان می‌دهند که برای ایجاد یک نقص استون-ولز در یک صفحه گرافن تخت و بدون تنش، به انرژی بین ۴٫۵ تا ۵٫۳ الکترون‌ولت نیاز است. این انرژی در مقیاس اتمی بسیار زیاد محسوب می‌شود. به همین دلیل، در دمای اتاق و شرایط تعادلی، غلظت این نقص‌ها بسیار ناچیز است.

#### 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 انرژی که مربوط به لحظه چرخش پیوند است، حدود ۱۰ الکترون‌ولت تخمین زده می‌شود. 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). اما نقص استون-ولز مانند یک دست‌انداز در اتوبان عمل می‌کند. این نقص باعث پراکندگی امواج الکترونی می‌شود که نتیجه آن کاهش تحرک‌پذیری و هدایت الکتریکی است.

#### تغییر در ساختار نواری ([[نظریه نوارها]])
گرافن یک‌نیمه‌فلز با شکاف انرژی صفر 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.

## خواص مکانیکی: انعطاف‌پذیری یا شکست؟
تأثیر مکانیکی نقص استون-ولز دوگانه و بسیار جذاب است.

### 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. این نقص‌ها می‌توانند در طول شبکه حرکت کنند (مانند حرکت دیسلوکیشن‌ها در فلزات). 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.

### 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. معمولاً پارگی و شکست نهایی گرافن از محل همین نقص‌ها آغاز می‌شود.

## 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. این پدیده باعث می‌شود محل نقض به یک نقطه داغ شیمیایی تبدیل شود.

#### کاربرد در مهندسی مواد

شیمیدانان از این ویژگی برای عامل‌دار کردن نانولوله‌ها استفاده می‌کنند:
* جذب گازها:مولکول‌هایی مانند اکسیژن، هیدروژن یا NO2 تمایل دارند دقیقاً به محل نقص استون-ولز بچسبند. این ویژگی برای ساخت حسگرهای گازی بسیار حساس استفاده می‌شود.
* اتصال داروها: برای استفاده از نانولوله‌ها در دارورسانی، باید مولکول‌های دارویی را به سطح آن‌ها چسباند. نقص‌های استون-ولز بهترین لنگرگاه‌ها برای اتصال شیمیایی این مولکول‌ها هستند.

## 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.

## روش‌های مشاهده تجربی

دیدن یک تغییر آرایش اتمی در مقیاس آنگستروم کار آسانی نیست. 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.
# 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. اما مطالعه عمیق روی نقص استون-ولز پارادایم جدیدی به نام «مهندسی نقص» (Defect Engineering) را به وجود آورده است.

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». با این کار می‌توان:
* خواص الکترونیکی ماده را تنظیم کرد (مهندسی شکاف باند).
* نقاط فعال کاتالیزوری برای پیل‌های سوختی ایجاد کرد.
* 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. این پدیده ثابت می‌کند که در دنیای کوانتومی نانو، حتی «نقص‌ها» نیز می‌توانند «کامل» و مفید باشند.

## جستارهای وابسته
* گرافین
* نانولوله کربنی
* نانولوله‌های کربنی در پزشکی
* نقص شاتکی

## منابع

رده:ناکاملی بلوری
رده:نانولوله کربنی