Michal Vadai’sindeki deney, bilim insanlarını koltuklarından zıplattı.
Stanford Üniversitesi’nden Vadai, gelişmiş bir mikroskobun kapasitesini büyük ölçüde artırabilecek yeni bir araç tasarlamak için aylarını harcadı. Mikroskopi topluluğundan gelen ağır şüpheciliğe rağmen, Vadai ve ekibi ışık mikroskobu ile iletken elektron mikroskobunu birleştirmeye çalıştı. Eğer başarılı olurlarsa ışıkla aktive edilen ve reaksiyona giren tek bir parçacık ortaya çıkacak.
Vadai: “Deneyin ilk çalışma anının ne kadar heyecan verici olduğunu vurgulayamıyorum bile. Çok büyük bir teknolojik meydan okumaydı. İlk kez deneysel bir sonuca ulaştık. Hepimiz yüksek sesle çığlık attık. Bu nanoparçacığa neler olduğunu ışıkla görebilmek ve onu kontrol edebilmek çok heyecan vericiydi.” dedi.
7 Kasım’da Nature Communications’da yayınlanan bu araştırma, görünür ışığın enerjisinin paladyumun (simgesi pd) nanoküplerinde (yaklaşık 30 nanometre) kimyasal bir reaksiyon başlattığı bir fotokatalitik* reaksiyona odaklanmaktadır.
Bilim insanları, nanoparçacık gruplarına dayanan fotokataliz hakkında çok şey biliyor. Ancak yeni teknik araştırmalar sayesinde bireysel nanoparçacıklar daha iyi anlaşılacak. Fotokatalizmin ötesinde bu teknik, canlı hücrelerde meydana gelenler de dahil olmak üzere yaklaşık 2 nanometrelik bir çözünürlükle ışığın ve maddenin neredeyse her türlü etkileşimini incelemek için kullanılabilir.
Başlangıç Nanoküpleri
İletken elektron mikroskobu, elektronları ince bir malzemeden ışınlayarak bir görüntü oluşturur. Bu süreç, yapıları karmaşık ayrıntılarla ortaya koyar. Ancak göz içindeki ışık alıcıları, güneş pillerinde kullanılan materyaller veya bu durumda kataliz için paladyum nanoküpleri gibi farklı ışık koşulları oluştukça malzemelerin gözlemlenmesine izin vermez. Bu yeni kurulum sayesinde elektron mikroskobunun çözünürlüğünü ışık mikroskobunun rengiyle çözebileceğiz.
Dionne: “Bu yazının en büyük başarılarından biri tekniğin kendisidir. Elektron mikroskobu için çeşitli renklerin ışığını getiriyoruz. Ölçümlerimiz direkttir. Bir tanesi nanoparçacıkta ortaya çıkan fotokimyasal reaksiyonu görebilir.” dedi.
Yeni teknik, numunenin yüklendiği özel tasarlanmış bir numune tutucuyu içeriyor. Elektron ışını için bir boşluk ile ışığa odaklanmak için iki optik fiberden oluşan ayna bulunuyor. Tüm tasarım çok sınırlı bir alana sığdırıldı. Mikroskopla görülebilecek 5 mm’lik bir alan.
Araştırmacılar kurulumu test etmek için numune odasına hidrojen pompaladı. Alan elektron mikroskobu ile incelendiğinde palladyum nanoküpün hidrojenle doldurulduğu zaman faz değiştirdiğini doğrulayabilirlerdi. Deney, nanoküplerin ışığa dönüşene kadar bu hidrojen dolgulu fazda kalabileceği şekilde oluşturuldu. Bir kez aydınlandıklarında parçacık boyunca incelikle akan suya benzer bir dalga olarak izlediler ve hidrojen paladyumdan ayrıldı. Bu ayrılış, elektron mikroskobu ile görülen ışık bazlı bir tepkiydi.
Bireysel farklılıklar
Nanoparçacıklar genellikle çok sayıda üretilir ve böylelikle rahatlıkla üzerinde çalışılabilir. Böylelikle boyut, şekil veya pozisyon bakımından değiştiklerini biliyoruz. Ancak bu değişimlerin performansı nasıl etkilediğini tam olarak bilmiyoruz.
Vadai: “Eğer gerçekten neler olup bittiğini temel fizik yasalarına göre anlamak istiyorsanız tek tek parçacıklara bakmanız gerekir. Çünkü bireysel farklılıkların önemli olduğunu biliyoruz. Bu bir gizem gibi ve bunu çözebilmek için temelde tek bir ipucuna iyi bakmanız gerekiyor.”
İlk deneyler, tekniğin işe yarayabileceğini göstermek için büyük ölçülerde tasarlandı. Bu deneyler, nanoküp hakkında yeni bir şey ortaya çıkardı: Birincisi, reaksiyon karanlıkta ışığa göre 10 kat daha hızlı gerçekleşiyor. İkincisi; tepkimenin her adımını (nanoküpü terk eden hidrojen ve nanoküpün yeniden düzenlenmesini sağlayan kafes yapısı) yani ışığın farklı dalga boylarından nasıl etkilendiğini de gösterebiliyor.
Ayrıca, ışık emici bölgeye en yakın olan nanoküp köşesinin en reaktif bölge olduğu ortaya çıktı. Bunun nasıl ve neden olduğunu anlamak hızlandırıcı geometrik yapısına dayanan ürün seçici reaksiyonlara potansiyel olarak izin verebilir.
Bu deneydeki başarı ile laboratuvar çalışmaları, bir sonraki aşamalara geçebildi. Örneğin, araştırmacılar spektroskopi (tayfölçümü) özelliklerini eklemeyi amaçlıyor. Bu, kimyayı daha ayrıntılı bir şekilde analiz etmek için reaksiyonlardan üretilen ışığın değerlendirilebileceği anlamına gelir.
Vadai: “Tek bir parçacıktan bahsediyorsanız, bu zayıf sinyalleri görmek için uğraşmanız gerekir. İleriye dönük olarak bu, tek bir parçacık düzeyinde çok yüksek çözünürlükte gerçek zamanlı olarak nano boyutta ışık ve maddenin etkileşimini incelemek için kullanabileceğiniz eksiksiz bir çalışma olacaktır.”
* Fotokatalitik: Henüz dünyada çok yeni olup, organik malzemelere ve insan sağlığına kesinlikle zarar vermeyen, bir kere kullanıldığında uzunca bir süre etkinliğini koruyabilen ve ışık enerjisini kullanarak kimyasal bir reaksiyon oluşturan, nanoteknolojik ve fotokimyasal yüzey kaplama ürünüdür.
Kaynak: https://www.bizsiziz.com/watching-nanoparticle-photoreactions/
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07108-x
Çeviri: Tuğba Aydın