ทำไมฟิล์มบาง ๆ ของท่อนาโนคาร์บอนผนังด้านเดียวจึงมีสีสันแม้ว่าฟิล์มที่สังเคราะห์แล้วมักจะเป็นสีดำ ทีมนักวิจัยในฟินแลนด์ สหรัฐอเมริกา และจีนได้ค้นพบคำตอบที่เป็นไปได้ในการพัฒนาที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์สำหรับหน้าจอแสดงผลและเซลล์แสงอาทิตย์ในอนาคต ท่อนาโนคาร์บอนผนังด้านเดียว (SWCNTs) เป็นแผ่นคาร์บอนที่หนาเพียงอะตอมเดียวม้วนขึ้น
โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 นาโนเมตร
อะตอมในแผ่นเหล่านี้ถูกจัดเรียงเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยมและทิศทางที่แผ่นถูกรีด – ความเป็นไคราลิตี – กำหนดว่าท่อเป็นโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อ SWCNTs เหล่านี้ถูกจัดเรียงตามเส้นผ่านศูนย์กลางหรือ chirality – ลักษณะสองประการที่แสดงโดยระบบการนับ “(n,m)” และแขวนลอยในตัวทำละลาย สารละลายที่ได้จะมีสีแตกต่างกันอย่างน่าทึ่ง แท้จริงแล้ว ท่อนาโนแต่ละประเภท (n,m) มีสีเฉพาะตัว อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ กลไกที่รับผิดชอบสำหรับสีนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ และไม่มีแบบจำลองทางทฤษฎีใดที่สามารถทำนายสีของฟิล์ม SWCNT ได้สำเร็จ แม้แต่การคาดการณ์ช่วงของสี SWCNT ที่น่าจะเป็นไปได้ก็พิสูจน์แล้วว่าเป็นไปไม่ได้
ทีมงานที่นำโดยEsko I Kauppinenจากมหาวิทยาลัย Aaltoในประเทศฟินแลนด์ได้ก้าวไปสู่การทำความเข้าใจเกี่ยวกับสีของท่อนาโนโดยการสร้างฟิล์มบางของ SWCNTs ที่มีสีเขียว สีน้ำตาล หรือสีเทาเงินโดยตรง นักวิจัยสังเคราะห์ท่อนาโนเหล่านี้จากก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาคนาโนเหล็กในเครื่องปฏิกรณ์ที่ให้ความร้อนถึง 850 °C พวกเขาวางท่อลงบนพื้นผิวโดยตรงเพื่อสร้างฟิล์มบางซึ่งไม่ต้องการการประมวลผลภายหลังการแก้ปัญหาใดๆ พวกเขาทำท่อนาโนที่มีสีต่างกันและติดฉลาก (n,m) โดยการเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์ลงในเครื่องปฏิกรณ์
ความสัมพันธ์เชิงปริมาณ
ในผลงานล่าสุด สมาชิกของทีม Aalto ได้ศึกษาฟิล์มนาโนทิวบ์แบบแห้งที่มีการแจกแจงแบบต่างๆ (n,m) และวิเคราะห์ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างสีของฟิล์มกับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของฟิล์ม จากนั้นจึงพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ตามความสัมพันธ์นี้ ซึ่งสามารถอธิบายและทำนายสีของฟิล์มที่ประกอบด้วยท่อนาโนที่มีป้ายกำกับต่างๆ (n,m) ได้
ทีม Aalto ได้ปรับเทียบและตรวจสอบแบบจำลองโดยใช้ฟิล์มนาโนทิวบ์ (6,5) ที่ทำโดยJunichiro Konoและเพื่อนร่วมงานที่Rice Universityในสหรัฐอเมริกาโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการแยกสารละลาย (n,m) ร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยปักกิ่ง ประเทศจีน Kauppinen และเพื่อนร่วมงานได้ประเมินลักษณะการดูดกลืนแสงของฟิล์มข้าวและสีของฟิล์ม การวิเคราะห์ของพวกเขาเปิดเผยว่าสีของภาพยนตร์เรื่องนี้คล้ายกับสีที่นางแบบของพวกเขาทำนายไว้จริงๆ “ผลลัพธ์นี้พิสูจน์ให้เห็นว่าโครงสร้างอะตอม – นั่นคือ (n, m) ของท่อในฟิล์มบาง – และสีของท่อนาโนที่อยู่ภายในมีผลต่อการที่ฟิล์มดูดซับแสง” Kauppinen กล่าวกับPhysics World
กังหันลมเคลือบด้วยกราฟีนสารเติมแต่งกราฟีนส่งเสริมการป้องกันการกัดกร่อน ‘เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม’ เมื่อรวมข้อมูลจากท่อต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว นักวิจัยก็สามารถสร้าง “แผนที่” ของฟิล์มนาโนทิวบ์สีต่างๆ ได้ 466 สี แผนภูมิที่ได้แสดงให้เห็นว่าฟิล์มที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 2.3 นาโนเมตรจะมีสีที่เข้มกว่าฟิล์มที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า
ผลงานซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในAdvanced Materialsแสดงให้เห็นว่า SWCNT สามารถมีอยู่ในสีต่างๆ ตลอดสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ซึ่งหมายความว่าอาจมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กโตรโครมิก เช่น ในจอแสดงผล และในเซลล์แสงอาทิตย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ยืดหยุ่นได้ และมีความเหนียวด้วย Kauppinen อธิบายว่าสีของหน้าจอสามารถแก้ไขได้โดยใช้เซ็นเซอร์สัมผัสที่สามารถวางไว้ในโทรศัพท์มือถือ หน้าจอสัมผัสอื่นๆ หรือบนกระจกหน้าต่าง
นอกจากนี้ยังอาจใช้ทำสีย้อมคาร์บอนบริสุทธิ์
ถาวรชนิดใหม่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ในอนาคตอันใกล้นี้ นักวิจัยวางแผนที่จะใช้ฟิล์มบางของพวกเขาเพื่อผลิตทรานซิสเตอร์แบบ field effect แบบฟิล์มบางที่มีความยืดหยุ่นและมีสีสันซึ่งมีการเคลื่อนที่ของตัวพาสูงและเวลาการทำงานที่รวดเร็ว
ในการสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก นักฟิสิกส์กำลังพยายามพัฒนา qubits ที่เชื่อถือได้มากขึ้น เช่นเดียวกับโปรโตคอล “การแก้ไขข้อผิดพลาดของควอนตัม” เพื่อจัดการกับความผิดพลาดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเกิดขึ้น รูปแบบการแก้ไขเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเข้ารหัส “qubit เชิงตรรกะ” แต่ละอัน (เทียบเท่าควอนตัมของ 1 หรือ 0 ในบิตคลาสสิก) ลงในสถานะของ qubit ทางกายภาพหลายตัว เช่น ไอออนที่ดักจับแต่ละตัวหรือวงจรตัวนำยิ่งยวด Nicolai Friis จาก University of Innsbruck อธิบายว่า “ในกรณีคลาสสิก หากคุณต้องการเก็บข้อมูลเชิงตรรกะ คุณสามารถเขียนมันลงบนกระดาษหลายแผ่น และถ้าคุณทำหาย คุณจะไม่ได้รับผลกระทบมากนัก” Nicolai Friisจากมหาวิทยาลัย Innsbruck อธิบาย “สำหรับข้อมูลควอนตัม ปัญหาคือคุณไม่สามารถเขียนข้อมูลนี้ได้ ดังนั้นคุณต้องมีวิธีการจัดเก็บที่ซับซ้อนกว่านี้”
ในการนำไปใช้งานที่มีแนวโน้มมากที่สุด สถานะ qubit เชิงตรรกะจะถูกเก็บไว้เป็นความสัมพันธ์เชิงทอพอโลยีระหว่าง qubit ทางกายภาพหลายตัวบนขอบของตาข่าย 2D ทางคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม มีข้อขัดข้อง: คิวบิตที่มีประโยชน์ต้องทนทานต่อเสียงรบกวน แต่ก็ยังสามารถโต้ตอบกับคิวบิตอื่นๆ ที่ควบคุมได้ ในขณะที่ไอออนที่ดักจับเพียงตัวเดียวจะทำปฏิกิริยากับอีกไอออนหนึ่งได้อย่างง่ายดาย การควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่าง qubits ตามโครงข่ายทอพอโลยีสองโครงข่ายไม่ได้พิสูจน์ว่าเป็นไปได้
“ผู้คนใช้คอลเลกชันของ qubit ทางกายภาพ พวกเขากำหนดโครงสร้างโค้ดบางอย่างเพื่อสร้าง qubit แบบลอจิคัล และจากนั้นพวกเขาแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถดำเนินการกับ qubit เชิงตรรกะตัวเดียวได้” Friis อธิบาย “แต่เพื่อให้ได้ชุดเกทสากลที่จะช่วยให้คุณคำนวณควอนตัมบนลอจิคัลคิวบิตจำนวนเท่าใดก็ได้ คุณต้องมีการดำเนินการพัวพันกับสองคิวบิตเชิงตรรกะ”
เย็บแผลในงานใหม่ของพวกเขา Friis และเพื่อนร่วมงานได้ผลิต qubits เชิงตรรกะที่มีการป้องกันทางทอพอโลยีสองตัว โดยแต่ละตัวจะเข้ารหัสในสถานะพื้นผิวทอพอโลยีของไอออนสี่ตัว ไอออนถูกกักไว้ในกับดักไอออนที่มีไอออนสิบตัว โดยการปรับความถี่เลเซอร์เพื่อเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ระหว่างไอออน ทีมงานได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่าการผ่าตัดตาข่าย โดยเย็บสภาพพื้นผิวเข้าด้วยกันเป็นสถานะขนาดใหญ่เพียงสถานะเดียว ในที่สุด พวกเขาแบ่งรัฐนี้ออกเป็นสองรัฐอีกครั้ง
Credit : steelersluckyshop.com thebeckybug.com thedebutantesnyc.com theproletariangardener.com touchingmyfatherssoul.com
