به گزارش ایسنا، بسیاری از فناوری‌های کلیدی امروز ــ از باتری‌های پیشرفته گرفته تا حسگرهای دقیق و سامانه‌های تولید هیدروژن ــ بر پایه واکنش‌های الکتروشیمیایی عمل می‌کنند. با این حال، درک دقیق سازوکار این واکنش‌ها همواره با چالشی جدی روبه‌رو بوده است؛ زیرا گام‌های تعیین‌کننده آن‌ها در فاصله‌ای در حد چند نانومتر از سطح الکترود رخ می‌دهد، مقیاسی که اغلب روش‌های متداول تصویربرداری قادر به تفکیک آن نیستند.

اکنون گروهی از دانشمندان دانشگاه اوترخت (Utrecht University) با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه علم و فناوری شرق چین (East China University of Science and Technology) روشی نوین ارائه کرده‌اند که این محدودیت را پشت سر می‌گذارد. نتایج این پژوهش در نشریه آکادمی ملی علوم آمریکا منتشر شده و افق تازه‌ای برای مطالعه و بهبود فرایندهای الکتروشیمیایی گشوده است.

این فناوری که «میکروسکوپی اپتو-یونترونیک» (Opto-Iontronic Microscopy) نام دارد، بر پایه استفاده از یک میکروسکوپ نوری طراحی شده است؛ اما نقطه تمایز آن در تمرکز بر یک نانوحفره منفرد نهفته است. واکنش الکتروشیمیایی درون این حفره بسیار کوچک رخ می‌دهد. پژوهشگران با تاباندن نور به نانوحفره و اندازه‌گیری تغییرات نور پراکنده‌شده می‌توانند فعالیت الکتروشیمیایی را در همان ناحیه نانومتری به‌صورت موضعی ثبت کنند.

ژو ژانگ، فیزیکدان و نویسنده نخست مقاله، این روش را ابزاری قدرتمند برای پایش واکنش‌های الکتروشیمیایی در محیط‌های بسیار کوچک توصیف کرد. به گفته او، این فناوری فرصت‌های تازه‌ای برای تحلیل واکنش‌ها در شرایطی فراهم می‌آورد که پیش‌تر دسترسی به آن‌ها ممکن نبود.

برای ارزیابی کارایی این روش، تیم پژوهشی آن را بر یک واکنش الکتروشیمیایی الگو به نام واکنش اکسایش-کاهش فروسن‌دی‌متانول آزمایش کرد و نتایج به‌دست‌آمده را با پیش‌بینی‌های یک مدل نظری مقایسه کرد. هم‌خوانی داده‌های تجربی و مدل نظری، دقت و اعتبار این رویکرد را تأیید کرد.

یکی از برتری‌های مهم این روش در مقایسه با ابزارهایی همچون میکروسکوپ الکترونی آن است که نیازی به خلأ بالا یا آماده‌سازی پیچیده نمونه ندارد. در حالی‌که میکروسکوپ‌های الکترونی در شرایط خلأ کار می‌کنند و مستلزم آماده‌سازی ویژه نمونه هستند، میکروسکوپی اپتو-یونترونیک امکان مطالعه واکنش‌ها را در شرایط واقعی و عملیاتی فراهم می‌کند؛ بدون آن‌که نمونه دستکاری شود. این ویژگی، افزون بر کاهش هزینه‌ها، داده‌هایی نزدیک‌تر به شرایط دنیای واقعی ارائه می‌دهد.

هرچند قدرت تفکیک این روش در حال حاضر از میکروسکوپ الکترونی کمتر است، اما همچنان در مقیاس نانو عمل می‌کند و می‌تواند تغییرات را در بازه‌های زمانی میلی‌ثانیه‌ای ثبت کند. همین توانایی ثبت لحظه‌به‌لحظه، آن را به ابزاری ارزشمند برای مطالعه پویایی واکنش‌ها بدل کرده است.

کاربردهای این فناوری گسترده است. از تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب گرفته تا طراحی کاتالیزورها، پژوهش در مواد و مرزهای مشترک، حسگرهای الکتروشیمیایی و حتی فرایندهای زیست‌محیطی مبتنی بر الکتروشیمی، همگی می‌توانند از این روش بهره‌مند شوند.

ژانگ اعلام کرده است که این فناوری هم‌اکنون آماده استفاده پژوهشی است و او با گروه‌های مختلف در حوزه‌هایی همچون تکامل هیدروژن و باتری‌های چرخه‌ای وارد همکاری شده است. یکی از پروژه‌های جاری تیم او، توسعه نمونه اولیه سامانه‌ای برای ذخیره ایمن و مقیاس‌پذیر هیدروژن است؛ حوزه‌ای که روش‌های کنونی آن با چالش‌های ایمنی و مصرف انرژی بالا روبه‌رو است.

در این مسیر، میکروسکوپی اپتو-یونترونیک نقشی کلیدی ایفا می‌کند؛ زیرا امکان مشاهده مستقیم انتقال یون و هیدروژن را درون مواد ذخیره‌سازی در مقیاس نانو و در زمان واقعی فراهم می‌کند. این توانایی به پژوهشگران کمک می‌کند نقاط اتلاف انرژی و ریسک‌های ایمنی را شناسایی کرده و بر پایه داده‌های عینی، مواد کارآمدتر و ایمن‌تری طراحی کنند.

به نقل از ستاد نانو، این دستاورد نشان می‌دهد که آینده فناوری‌های انرژی و ذخیره‌سازی نه‌تنها به کشف مواد جدید، بلکه به ابزارهای دقیق‌تری برای دیدن آنچه در مقیاس نانو رخ می‌دهد وابسته است؛ جایی که سرنوشت کارایی و پایداری بسیاری از فناوری‌های حیاتی رقم می‌خورد.

انتهای پیام