ثبت‌نام

چگونه ماده زنده با وجود شکست تقارن کنش-واکنش خودسازماندهی می‌کند؟

عنوان سخنرانی: چگونه ماده زنده با وجود شکست تقارن کنش-واکنش خودسازماندهی می‌کند؟

 

راه‌های زیادی برای مطالعهٔ زندگی وجود دارد. یکی از راه‌هایی که به‌ویژه برای فیزیک‌دان‌ها جذاب است، نگریستن به زندگی به عنوان مادهٔ نرمِ فعالِ خودسازمان‌یافته است که به بیان درست، از تعادل به دور است. در این کنفرانس، من دربارهٔ همین مفهوم بحث خواهم کرد و مثال‌هایی دربارهٔ این موضوع بیان می‌کنم که چه‌طور می‌توانیم سیستم‌های ساده‌ای را کنارهم قرار دهیم که از مواد اولیهٔ کاملا درک‌پذیرساخته شده‌اند. این امر یک نوع رفتار فعال را نشان می‌دهد که آن را در سیستم‌های زنده می‌یابیم.
به طورویژه، من در مورد دسته‌بندی کلی فعالیت‌های شیمیایی – هم به عنوان منبع محرک غیرتعادلی و هم به عنوان مکانیزم زیربنا برای خودسازماندهی- صحبت خواهم کرد. سلول‌ها و ریززیست‌ها انواع مختلف مواد شیمیایی را، از مواد مغذی گرفته تا مولکول‌های سیگنال‌دهنده، تولید و مصرف می‌کنند. اتفاقی مشابه در مقیاس نانو در داخل خود سلول‌ها اتفاق می‌افتد، جایی که آنزیم‌ها تولید و مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای زندگی را کاتالیز می‌کنند.
من دربارهٔ فرایندی کلی بحث قرار خواهم کرد که به‌وسیلهٔ آن چنین ذرات فعال شیمیایی (اعم از سلول‌ها یا آنزیم‌ها یا کلوئید‌های مصنوعیِ مهندسی‌شده) می‌توانند یکدیگر را «احساس» کنند و درنهایت، به روش‌های مختلفی خودسازماندهی شوند.
یک ویژگی این فعل و انفعالات شیمیایی این است که تقارنِ کنش-واکنش را می‌شکنند؛ برای مثال، یک ذره ممکن است از ذرهٔ دوم دفع شود، که بدین‌ترتیب جذب اولی می‌شود، به طوری که درنهایت آن را «تعقیب» می‌کند. این برهم‌کنش‌های تعقیب‌کردن امکان تشکیل خوشه‌های بزرگی از ذرات را فراهم می‌کند که به طور مستقل «شنا» می‌کنند. در مورد آنزیم‌ها، متوجه می‌شویم که آن‌ها می‌توانند خودبه‌خود در خوشه‌هایی با ترکیب درست جمع شوند، به طوری که محصول یک آنزیم، بدون کمبود یا مازاد، به آنزیم بعدی در آبشار متابولیک منتقل ‌شود. در نهایت، دربارهٔ این بحث خواهیم کرد که چگونه شکستن تقارن کنش-واکنش می‌تواند به یک سیستم‌ – که دو میدان اسکالر توصیف می‌کنند- اجازه دهد تا شکست خودبه‌خودی تقارن‌های انتقالی زمانی، معکوس زمانی، انتقال فضا و تقارن‌های قطبی را نشان دهد.

 

سخنران: پروفسور رامین گلستانیان
موسسهٔ ماکس پلانک (مرکز تحقیقات دینامیک و خودسازماندهی) و دانشگاه آکسفورد

 

 

 

Title: How living matter self-organizes while breaking action-reaction symmetry

Speaker: Prof. Ramin Golestanian

Affiliation:  Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization & Oxford University

Description:

There are many ways to study life, and one that is particularly appealing to physicists is regarding it as self-organized active soft matter that is away from equilibrium “just the right way’’. In this Colloquium, I will discuss this notion, and provide a number of examples of how we can begin to put together simple systems – from basic ingredients that we fully understand – that would exhibit the kind of active behaviour we find in living systems. In particular, I will discuss the general class of chemical activity both as the source of non-equilibrium drive and the underlying mechanism for self-organization. Cells and microorganisms produce and consume all sorts of chemicals, from nutrients to signalling molecules. The same happens at the nanoscale inside cells themselves, where enzymes catalyze the production and consumption of the chemicals needed for life. I will discuss a generic mechanism by which such chemically-active particles, be it cells or enzymes or engineered synthetic colloids, can “sense” each other and ultimately self-organize in a multitude of ways. A peculiarity of these chemical-mediated interactions is that they break action-reaction symmetry: for example, one particle may be repelled from a second particle, which is in turn attracted to the first one, so that it ends up “chasing” it. Such chasing interactions allow for the formation of large clusters of particles that “swim” autonomously. Regarding enzymes, we find that they can spontaneously aggregate into clusters with precisely the right composition, so that the product of one enzyme is passed on, without lack or excess, to the next enzyme in the metabolic cascade. Finally, I will discuss how breaking the action-reaction symmetry can allow a system described by two scalar fields to exhibit spontaneous breaking of time translation, time-reversal, space translation, and polar symmetries.

 

Date: Wednesday, May 25, 2022

                              6pm (Tehran)

                              Khordad 4, 1401

لینک شرکت در سخنرانی (بر روی گزینه میهمان کلیک کنید):

Skyroom (Click)

کشف فرآیندهای پرانرژی در محیط‌های میان‌ستاره‌ای و میان‌کهکشانی با آرایهٔ کیلومترمربعی

چکیده:

نخستین گام برای درک شکل‌گیری و تحول کهکشان‌ها در طول زمان کیهانی بررسی فیزیک و موازنهٔ انرژی محیطی است که در آن ساختارهای کهکشانی در مقیاس‌های مختلف شکل می‌گیرند. مدل‌های نظری کنونی، برافزایش گاز از رشته‌های کیهانی یا از محیط اطراف کهکشان را -به عنوان مکانیزم اصلی برای حفظ ستاره‌زایی و تغذیهٔ هستهٔ فعال کهکشانی- پیشنهاد می‌کنند. این مدل‌ها بازخورد ابرنواختری یا هسته فعال را به عنوان مکانیسم‌هایی برای خاموش‌شدن کهکشان‌ها با زمان کیهانی پیشنهاد می‌کنند؛ چراکه در این مدل‌ها بازخورد باعث ازدست‌رفتنِ گازی می‌شود که برای ستاره‌سازی مهم است، اما مطالعات رصدی نشان می‌دهند که بازخورد می‌تواند خود به ستاره‌زایی کمک کند؛ درنتیجه، این موضوع هنوز به‌عنوان یک چالش اصلی باقی مانده است.

به نظر می‌رسد برخی مفاهیم اساسی در مورد شکل‌گیری ساختارها در محیط بین‌ستاره‌ای و محیط میان‌کهکشانی مغفول مانده است؛ از جمله این‌که فرایندهای فیزیکی و عوامل حاکم بر تشکیل ساختار در مقیاس‌های مختلف فضایی چیست؟ چگونه موازنهٔ فشار و انرژی در طول زمان کیهانی در این محیط‌ها تغییر می‌کند؟ به‌زودی آرایهٔ رادیویی کیلومتر مربعی (اس.کی.ای) بزرگ‌ترین رصدخانه‌ٔ دنیا خواهد بود که با قابلیت‌های ابزاری نوین، پنجره‌ٔ جدیدی را برای روشن‌کردن این موضوع بازمی‌کند.

رصدهای پیوستار رادیویی توسط این آرایه می‌تواند ذرات پرانرژی و میدان‌های مغناطیسی را، نه‌تنها در نواحی روشن و ستاره‌زا، بلکه در ابرهای مولکولی تاریک ردیابی کند. این امر ما را قادر می‌سازد تا با دقتی بالا، نقش پرتوهای کیهانی و میدان‌های مغناطیسی را در تشکیل و کنترل ساختارهای کهکشانی بررسی کنیم. در مقیاس‌های بزرگ‌تر، اسکا میتواند قید دقیق‌تری بر مدل‌های مادهٔ تاریک -که توزیع آن توسط تلسکوپ فضایی هابل و دوربین انرژی تاریک نقشه‌برداری شده است- ایجاد کند.

دکتر فاطمه طباطبایی از پژوهشگاه دانش‌های بنیادی در پژوهشکدهٔ فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی در این زمینه سخنرانی خواهد کرد.

اطلاعات لازم برای شرکت در این سخنرانی را در زیر ببینید. در ضمن، ویدیوی این سخنرانی پس از برگزاری از طریق همین صفحه در دسترس شما قرار خواهد گرفت.

 

Physics Colloquium

Title: Uncovering Energetic Process In The Interstellar/Intergalactic Medium With The Square Kilometre Array

Speaker: Dr. Fatemeh Tabatabaei

Affiliation: School of Astronomy, IPM

Abstract

Investigating the physics and energetic of the medium where galactic structures, on various scales, are formed is the most fundamental step to understand the formation and evolution of galaxies. Modern galaxy evolution models suggest gas accretion from the intergalactic medium (IGM) or from cosmic filaments as a mechanism to maintain star formation and active galactic nucleus (AGN). Through gas heating and/or gas removal, these models also propose supernova feedback and AGN feedback as mechanisms to quench massive star formation. Observational studies, however, have not reached to a conclusive result showing that feedback can, in some cases, trigger star formation, leaving the issue as an open challenge. It seems that some basic concepts about the formation of structures in the interstellar medium (ISM) and the IGM are missed: What are physical parameters/agents governing the structure formation on various scales? How does the ISM/IGM energy balance change over cosmic time? The advent of the square kilometre array (SKA) and its instrumental capabilities tracing the most energetic ISM components has opened a new window shedding light on the issue. The SKA’s sensitive radio continuum observations will trace high-energy particles and magnetic fields not only in star forming regions and AGNs, but also in more quiescent regions in molecular clouds and diffuse IGM, enabling us to study the role of magnetic fields/cosmic rays in structure formation. Sensitive radio continuum observations on large scales may also bring constrains on the entity of dark matter mapped by the Hubble Space Telescope (HST) and Dark Energy Camera (DECam).

Date and time

Wednesday, April 6, 2022 

16:00 (Tehran)

17 Farvardin 1401

Link:

https://www.skyroom.online/ch/schoolofphysics/colloquium

سخنرانی دربارۀ جنگ بزرگ اینشتین

عنوان سخنرانی: اینشتین در برابر اینشتین؛ جنگ بزرگ

در طی هفت ماه بحبوحهٔ جنگ جهانی اول، آلبرت اینشتین دو مقالهٔ مهم خویش یعنی  «گسیل و جذب کوانتومی» و «معادلات میدان گرانش» را منتشر کرد که این دو مقاله سبب پایه‌گذاری فیزیک مدرن گردید.

داستان ما در این قرن از اینجا شروع می‌شود و ما به زمان ظهور ایده‌هایی همچون هولوگرافی، توپ‌های فازی، آتش‌پاره‌ها، آشوب کوانتومی و امواج گرانشی در نجوم، سفر می‌کنیم؛ اما در نهایت، به آن هفت ماه سرنوشت‌ساز باز‌می‌گردیم؛ یعنی زمان نگارش مقالهٔ اینشتین در جولای ۱۹۱۶ -یعنی مقالهٔ «Strahlungs-Emission und -Absorption nach der Quantentheorie»- که این مقاله با شاهکار او در دسامبر ۱۹۱۵ -یعنی مقالهٔ «Die Feldgleichungen der Gravitation»- به نظر می‌رسد تناقض دارد. در این سخنرانی، استدلال‌ها و مشاهداتی دربارهٔ هر دو طرف جنگ بزرگ اینشتین (آخرین نبرد) بیان خواهد شد.

سخنرانی پروفسور نیایش افشردی از گروه فیزیک و نجوم دانشگاه واترلو به صورت آنلاین در پژوهشکدهٔ فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی انجام خواهد شد.

 

نیایش افشردی Niayesh Afshordi

 

اطلاعات لازم برای شرکت در این سخنرانی را در زیر ببینید. در ضمن، ویدیوی این سخنرانی پس از برگزاری از طریق همین صفحه در دسترس شما قرار خواهد گرفت.

Online Seminar – Einstein vs Einstein: The Great War

Title: Einstein vs Einstein: The Great War

Speaker: Prof. Niayesh Afshordi

Affiliation: Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo

 

Abstract:

Within the span of seven months in the midst of the Great War, Albert Einstein published two seminal papers, on “Quantum Emission and Absorption” and “Field Equations of Gravitation”, that laid the foundations of modern physics. Our century-long odyssey starts here, taking us through the rise of holography, fuzzballs, firewalls, quantum chaos, and gravitational wave astronomy. However, in the end, it will land us back within those fateful seven months, where Einstein’s July 1916 “Strahlungs-Emission und -Absorption nach der Quantentheorie” may prove to be the ultimate undoing of his December 1915 “Die Feldgleichungen der Gravitation”. I will lay down the theoretical and observational arguments on both sides of (the latest battle) in Einstein’s Great War.

 

Date: Wednesday, February 2, 2022

                              18:00 (Tehran)

                              Bahman 13, 1400

 

برای ورود به کنفرانس کلیک کنید. (click)

 

سخنرانی ادوارد ویتن درباره ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها

عنوان سخنرانی: ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها: گذشته و حال

در اين سخنرانی، پروفسور ادوارد ويتن به مرور مسئلهٔ ترموديناميک سياه‌چاله‌ها كه از دههٔ هفتاد ميلادی مطرح شده است، پرداخته‌است و سپس آخرين نتايج و دستاوردهای اخير در اين زمينه كه مرتبط با مفهوم ریزمقیاس آنتروپی سياه‌چاله‌هاست، را تشريح کرده‌است. ایشان در گروه انرژی-بالا در پژوهشکدهٔ فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (IPM) در این زمینه سخنرانی کرده‌است.

 

ادوارد ویتن

ادوارد ویتن، مؤسسه مطالعات پیشرفته دانشگاه پرینستون

 

ویدیوی این سخنرانی در زیر در دسترس است.

 

 

 

Title: Black Hole Thermodynamics: Then and Now

SpeakerEdward Witten

Affiliation: Institute for Advanced Study, Princeton

Abstract: I will review the subject black hole thermodynamics as it developed in the 1970’s, and then explain something of the more contemporary developments that revolve around a microscopic notion of  “entropy”.

 

Date: Tuesday, December 14th -۲۳ آذر ماه

                          18:00 pm (Tehran time)

سخنرانی درباره یک تقارن بنیادی در فیزیک کوانتومی

 

یکی از تقارن‌های بنیادی مورد بحث در فیزیک کوانتومی تقارنِ انعکاسِ فضا و زمان است. از مهم‌ترین ریاضی-فیزیک‌دانانی که سال‌ها در این زمینه مشغول به مطالعه و پژوهش بوده است، پروفسور کارل بندر (Carl Bender) از دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس است. ایشان در گروه انرژی-بالا در پژوهشکدۀ فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی در این زمینه سخنرانی کرده‌اند.

 

PT symmetry

 

ویدیوی این سخنرانی در زیر در دسترس است.

 

 

 

 

TitlePT-symmetry

SpeakerProfessor Carl M. Bender

AffiliationDepartment of Physics, Washington University in St. Louis

Abstract:

    By using complex-variable methods one can extend conventional Hermitian quantum theories into the complex domain. The result is a huge and exciting new class of non-Hermitian parity-time-symmetric (PT-symmetric) theories that still obey the fundamental laws of quantum mechanics. These new theories have remarkable physical properties, which are currently under intense study by theorists and experimentalists. Many theoretical predictions have been verified in recent beautiful laboratory experiments.

DateTuesdayOctober 12th – ۲۰ مهرماه          

                         4:30 p.m (Tehran time)

تجزیه خورشیدی آب

تجزیۀ خورشیدی آب در سیستم‌هایی به نام سلول فوتوالکتروشیمیایی صورت می‌گیرد. ترم فوتوالکترود شناساگر ساختار کامل یک مادۀ فعال نوری است. احیای اکسیژن (O2) با انتقال الکترون از الکترولیت به مادۀ فعال نوری (انتقال حفره از مادۀ فعال نوری به الکترولیت) و واکنش احیای هیدروژن با انتقال الکترون از الکترود کاتد به الکترولیت همراه است. شکل زیر فرآیندهای فیزیکی-شیمیایی و دیاگرام سطوح انرژی در سیستم تجزیۀ آب را نمایش می‌دهد.

شکل ‏1: فرآیندهای فیزیکی-شیمیایی و دیاگرام سطوح انرژی در سیستم تجزیۀ آب با استفاده از یک نیمه‌هادی تک برای انجام واکنش‌های اکسایش و کاهش برای (a) حالتی که هر دو واکنش در یک جا اتفاق می‌افتد و (b) برای حالتی که مکان انجام واکنش اکسایش و کاهش جداست.

در این شکل فرآیندهای تولید حامل‌های بار الکترون-حفره و نیز انتقال حامل‌های بار به الکترولیت و واکنش‌های احیای اکسیژن و هیدروژن نشان داده شده است. در شکل 1 (a) از یک نیمه‌هادی تک که قادر به انجام هر دو واکنش است استفاده می‌شود. در این سیستم تجزیۀ آب، معمولاً ذرات مادۀ فوتوکاتالیسیت (نیمه‌هادی) به صورت پراکنده درون الکترولیت ریخته می‌شوند و واکنش‌های احیای اکسیژن و هیدروژن بر روی فوتوکاتالیست انجام می‌شوند. این سیستم به صورت آزمایشگاهی با استفاده از نانوذرات مخلوط اکسیدهای گالیم و روی صورت گرفت و بازدهِ تبدیل هیدروژن این سیستم در تابش نور با طول موج 400 nm حدود 2.5% به دست آمد.
چیدمان نمایش داده شده در شکل 1 (b) از یک تک فوتوالکترود به گونه‌ای استفاده می‌کند که واکنش احیای اکسیژن در یک سمت و واکنش احیای هیدروژن در سمت دیگر انجام شود.  در سال 2011، نوکرا و همکارانش مثالی از کار تجربی این چیدمان را نشان دادند. این ساختار، که به برگ سبز مصنوعی مشهور است، شامل یک سلول خورشیدی سیلیکونی است که با یک همکاتالیست برای انجام هر دو واکنش ترکیب شده است. در شکل زیر، این چیدمان نمایش داده شده و بازده تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن برای این سیستم نیز در حد 2.5% گزارش شده است.

شکل ‏2: برگ سبز مصنوعی: (a) نمونۀ تجربی از یک برگ سبز مصنوعی، که بدون نیاز به انرژی خارجی قادر به انجام الکترولیز آب و تولید هیدروژن است؛ (b) شماتیک سیستم مورد استفاده در کار تجربی؛ (c) جزئیات چیدمان برگ سبز مصنوعی

تجزیۀ آب با یک تک فوتوالکترود با چالش‌های بسیاری مواجه است، زیرا سیستم باید ملزومات واکنش‌های اکسایش و کاهش آب را تنها در یک مادۀ فعال نوری برآورده کند. این مسئله موجب بالارفتن هزینۀ ساخت فوتوالکترود می‌شود و علاوه بر آن بازده تبدیل انرژی کم است. از طرفی مکان تولید گازهای اکسیژن و هیدروژن جدا نیست، که موجب بالارفتن هزینه‌های ذخیرۀ هیدروژن و پیچیدگی زیاد کار می‌شود.

شکل ‏3: فرآیندهای فیزیکی-شیمیایی و دیاگرام سطوح انرژی در سیستم تجزیۀ آب با استفاده از سیستم الکتروشیمیایی که در آن واکنش‌های اکسایش و کاهش بر روی الکترودهای جداگانه انجام می‌شود.

چیدمان دیگری که در سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی استفاده می‌شود در شکل (1-6) نمایش داده شده است. در این چیدمان از دو الکترودِ جداگانه برای واکنش‌های اکسایش و کاهش آب استفاده می‌شود. واکنش احیای اکسیژن از انتقال الکترون از الکترولیت به فوتوآند و واکنش احیای هیدروژن از انتقال الکترون از کاتد به الکترولیت انجام می‌شود. یک مدار خارجی این حلقه جریان را تکمیل می‌کند. هر کدام از مواد انتخاب شده برای کاتد و فوتوآند باید ملزومات مربوط به نقش خود را داشته باشند و این مسئله گسترۀ انتخاب مواد را بازتر می‌کند. به این دلیل، هزینۀ ساخت این چیدمان دوالکترودی از هزینۀ ساخت چیدمان تک‌الکترودی بسیار پایین‌تر است و از پیچیدگی‌های کار می‌کاهد. علاوه بر این، تولید اکسیژن و هیدروژن به صورت جداگانه انجام می‌شود و در نتیجه، ذخیره هیدروژن و انتقال انرژی با سهولت صورت می‌گیرد؛ همچنین، مقداری انرژی اضافی برای انتقال حامل‌های بار از الکترودها به الکترولیت نیاز است که از طریق یک ولتاژ خارجی و یک سلول خورشیدی فراهم می‌شود. در ادامه به معرفی دقیق‌تر اجزای یک سلول فوتوالکتروشیمیایی می‌پردازیم که چیدمان شکل 3 را پوشش می‌دهد.

 

اجزای اصلی یک سلول PEC سه الکترودی

در شکل زیر ساختار ابتدایی یک سلول PEC سه الکترودی نشان داده شده است. اجزای مهم این ساختار Working electrode یا الکترود کار (فوتوآند)، Auxilliary (Counter) electrode  یا الکترود کمکی (کاتد)، Reference electrode یا الکترود مرجع و الکترولیت هستند.

شکل ‏4: ساختار یک سلول PEC سه الکترودی و واکنش‌های اکسایش و کاهش در حین فرآیند تجزیۀ الکتروشیمیایی آب.

1-1 شبیه‌سازی فوتوآندهای سلول فوتوالکتروشیمیایی با نرم‌افزار کامسول

کامسول نرم‌افزاری است که با استفاده از روشِ المانِ محدود، معادلات دیفرانسیل جزئی را در دو یا سه بعد حل می‌کند. کاربردهای از پیش تعریف شده‌ای برای معادلات دیفرانسیل جزئی درکامسول مشخص شده است، ولی کاربر می‌تواند آزادانه از آن درکاربردهای مختلف استفاده کند. کاربردهای از پیش تعریف شده در آن عبارتند از: الکترمغناطیس، مکانیک، دینامیک سیالات، انتقال حرارت و نیمه رساناها و غیره. تمام این مدها می‌توانند با همدیگر جفت شوند و استفاده گردند. مستقل از کاربرد و مد استفاده شده، پارامترهای هندسی، پارامترهای ماده و شرایط مرزی مسئله می‌توانند در قسمت گرافیکی نرم افزار براحتی تعریف گردند. بعد از تعریف مرزها و نواحی مختلف، عملیات شبکه‌بندی به صورت المان محدود انجام می‌گردد. روش شبکه‌ای المان محدود برای مرزهای منحنی شکل، بسیار کارآمدتر از روش شبکه‌بندی دیفرانسیلی محدود است. در قدم سوم، بعد از شبکه‌بندی، دستگاه معادلات دیفرانسیلی حل می‌شود. کامسول روش‌های مختلفی را برای حل معادلات دیفرانسیل پیشنهاد می دهد. معمولاً از روش‌های حل مستقیم برای حل مسائل کوچکتر و از روش‌های تکرار برای مسائل بزرگتر و پیچیده‌تر استفاده می‌گردد. درصورتی که از نظر حافظۀ قابل دسترس در رایانه مشکلی نباشد، استفاده از روش مستقیم پیشنهاد می‌گردد، چون روش‌های مستقیم، نتایج دقیق‌تری نسبت به روش‌های تکرار دارند. قدم بعدی نمایش نتایج حل مسئله است. کامسول نمایش‌های دو بعدی و سه بعدی را عرضه می‌کند. با توجه به کاربردی که برای کامسول تعریف شده است، متغیرهای مربوط به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به صورت سایر متغیرها -از قبیل بردار پوئیتینگ، انرژی و انرژی اتلافی- قابل محاسبه و رسم است. در مواردی که متغیر از پیش تعیین شده وجود نداشته باشد، می‌توان آن را با توجه به رابطۀ آن با میدان‌های الکترومغناطیسی محاسبه کرد.
ساختارهای شبیه‌سازی شده در شکل 5 شامل آرایه‌ای منظم از نانوساختارهای FTO است که لایه‌ای بسیار نازک از هماتیت بر روی آن قرار دارد. اکسید قلع آلاییده به فلوئور (FTO) ماده اکسیدی شفاف رسانایی است که به صورت گسترده برای تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب  استفاده می‌شود و به همین جهت در شبیه‌سازی از این ماده به عنوان لایۀ TCO استفاده می‌شود.
ساختار اول نشان داده شده در شکل 5 (a,b)، آرایه‌ای دوبعدی نانونوارها است که می‌توان آن را با استفاده از روش‌های معمول و مقیاس‌پذیر لایه‌نشانی فیلم نازک و تکنیک‌های مختلف الگوگذاری ساخت. لایۀ FTO مسئول جمع‌آوری الکترون‌ها است و لایۀ هماتیت رشد داده شده بر روی آن به عنوان مادۀ فعال در واکنش‌های فوتوالکتروشیمیایی به کار می‌رود. ساختار دوم آرایه‌ای متناوب از نانومیله‌ها است که در یک شبکۀ مربعی در کنار هم قرار گرفته‌اند و با لایۀ نازک هماتیت پوشش داده شده است (شکل 5 c).
پارامترهای هندسی مهم شامل ثابت شبکۀ P، ارتفاع نانونوارها و یا نانومیله‌ها H و فاکتور کسر پرشوندگی FR است. کسر پرشوندگی (FR) به صورت کسری از سلول واحد شبکه متناوب تعریف می‌شود که نانومیلۀ FTO پر کرده است. ضخامت فیلم هماتیت برابر با 20 nm در نظر گرفته شده است تا بتواند حامل‌های حفره را با بازدهی مطلوب و مؤثر به مرز فوتوالکترود با الکترولیت انتقال دهد. ضخامت لایۀ FTO زیرین برابر با 200 nm در نظر گرفته شده است تا از میزان رسانایی الکتریکی در مقابل الکترود اطمینان داشته باشیم. ضریب شکست هماتیت از مرجع به دست آمده است و ضرایب شکست آب و FTO به ترتیب برابر با 1.33 و 1.7 در نظر گرفته شده است. ممکن است ضریب شکست FTO بر اثر روش لایه‌نشانی از مقدار 1.7 منحرف شود، اما در بازۀ 300-620 nm -که بازۀ مؤثر جذب اپتیکی برای هماتیت است- تغییر محسوسی نمی‌کند.

شکل 5: (a) شماتیکی از نانوساختار آرایه‌ای نانونوارها که در راستای محور x دارای تناوب است؛ (b) سلول واحد مورد استفاده در شبیه‌سازی که از طرفین با شرایط مرزی PBC و از انتها با شرایط مرزی PML محدود شده است. نور از سمت محیط آبی وارد سلول می‌شود؛ (c) ساختار سه بعدی نانومیله‌ها که به صورت آرایه‌ای مربعی از نانومیله‌ها در نظر گرفته شده است و از طرفین  تناوب ساختاری دارد.

برای محاسبۀ جذب اپتیکی این نانوساختار، شبیه‌سازی الکترومغناطیسی با حل معادلات الکترومغناطیسی ماکسول درون سلول واحد ساختار و با استفاده از روش FEM انجام می‌شود. به دلیل آنکه ساختار متناوب است، شبیه‌سازی تنها برای سلول واحد و با شرایط مرزی متناوب انجام می‌شود. با توجه به این‌ که نور خورشید قطبیده نیست، نور غیرقطبیده در محاسبات به صورت میانگین قطبش میدان الکتریکی عرضی TE و میدان مغناطیسی عرضی TM در نظر گرفته می‌شود. تعریف قطبش‌های TE(TM) به این صورت است که مؤلفۀ E(M) میدان‌های الکترومغناطیسی بر صفحه x-y عمود و در نتیجه، موازی با محور z است. شرایط لایه کاملاً همسان (PML) در قسمت انتهایی ساختار در نظر گرفته شده است تا بتوان انتشار نور به داخل زیرلایۀ شیشه‌ای بدون بازتاب را شبیه‌سازی کرد. در مدل محاسباتی، ساختار به شبکه‌های مثلثی کوچک تقسیم شده است و معادلۀ ماکسول برای هر جزء به صورت مجزا حل می‌گردد. حل معادلۀ ماکسول برای جزءهای مختلف توسط شرایط مرزی الکترومغناطیسی به هم مربوط می‌شود.
مطابق شکل 1-5 نور خورشید مانند موج تخت در نظر گرفته می‌شود که از سمت محیط آبی سلول و با دامنۀ 1V/m تحت شرایط عمودی تابیده می‌شود. برای محاسبۀ جریان فوتونی فرض می‌شود که 1. به ازای هر فوتون جذب شدۀ درون لایه هماتیت یک زوج الکترون-حفره تولید شود؛ 2. نرخ تولید الکترون-حفره به خاطر نازک بودن لایۀ هماتیت در سراسر لایه یکنواخت است. این فرض‌ها حالت ایده‌آل بازدهی استخراج حامل بار 100% را در نظر می‌گیرد. در نتیجه، چگالی جریان جذبی یا چگالی جریان فوتونی بیشینۀ قابل محاسبه از انتگرال‌گیری بر روی تابع جذب اپتیکی در شار فوتونی AM 1.5 به صورت زیر به دست می‌آید:

\(J_a (mA cm^{-2}) = e/hc \int A(\lambda) \Phi_{AM1.5}\lambda d\lambda\)

که در آن A(λ) جذب اپتیکی، ΦAM1.5 شار فوتونی AM 1.5، λ طول موج نور فرودی، e بار الکترون، h ثابت پلانک و c سرعت نور است. انتگرال‌گیری در بازۀ 400-620 nm انجام می‌شود که 620 nm لبه جذب اپتیکی هماتیت است. جذب اپتیکی A(λ) به صورت انرژی الکترومغناطیسیِ تلف شدۀ درون لایۀ هماتیت تعریف می‌شود و طبق رابطۀ زیر به دست می‌آید:

 

\( A(\lambda) = (\frac{1}{P_{inc}}) \int(\frac{1}{2}) \omega \varepsilon^{”}_{hematite} |\bar{E}(\bar{r},\lambda)|^2 d^3r \)

که در آن \(|\bar{E}(\bar{r},\lambda)|\) دامنۀ میدان الکتریکی محاسبه شده از حل معادلات ماکسول، \(\varepsilon^{”}_{hematite}\) قسمت موهومی ثابت دی‌الکتریک هماتیت، ω بسامد زاویه‌ای و Pinc توان حمل شده توسط موج فرودی است.

 

علاقه مندان می توانند برای مطالعۀ بیشتر به منابع زیر رجوع کنند:

 

•  رسالۀ دکتری بهروز افتخاری نیا، بهبود عملکرد فوتوالکترودهای اکسید فلزی به کمک خواص پلاسمونی نانوساختارهای آرایه ای و اصلاح با هم- کاتالیست های فلزی برای تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب

•  P. C. Vesborg and T. F. Jaramillo, “Addressing the terawatt challenge: scalability in the supply of chemical elements for renewable energy,” Rsc Advances, vol. 2, pp. 7933-7947, 2012.

•  M. Rioult, “Hematite-based epitaxial thin films as photoanodes for solar water splitting,” Ecole Polytechnique, 2015.

•  F. Le Formal, “On the Morphology and Interfaces of Nanostructured Hematite Photoanodes for Solar-Driven Water Splitting,” 2011.

•  B.Eftekharinia, “Design rules of nanostructured transparent conductive electrodes for light trapping in hematite photoanodes”, 2017.

 

پلاسمون سطحی

در سال‌های اخیر حوزه پلاسمونیک به یکی از حوزه‌های در حال توسعه و پرکار علم نانوفوتونیک تبدیل شده است، که به توصیف اندرکنش امواج الکترومغناطیسی با نوسان همدوس و جمعی الکترون‌های آزاد بر روی سطوح نانوساختارهای فلزی می‌پردازد. در واقع، پلاسمونیک عبارت است از امواج مربوط به چگالی الکترونی که درطول حد فاصل بین فلزات و دی الکتریک ها منتشر می‌گردد. اندرکنش نانوذرات فلزی با میدان‌های الکترومغناطیسی را می‌توان بر اساس معادلات ماکسول در چارچوب کلاسیک توصیف کرد.

بسیاری از خواص اساسی الکترونی مواد جامد، از مفهوم حرکت الکترون در شبکه یونی حاصل می‌گردد. اگر در تقریب اول از شبکه یونی صرف نظر گردد، الکترون‌های فلزات به صورت مایع الکترونی با چگالی بالا درنظر گرفته می‌شوند. ثابت دی‌الکتریک ماده و مخصوصا فلزات به طول موج وابسته است و نقش مهمی در خواص اپتیکی و پلاسمونی آن ماده دارد. ثابت دی‌الکتریک فلزات، با در نظر گرفتن سهم مربوط به الکترون‌های آزاد فلز و گذارهای بین نواری به دست می‌آید. یک مدل جامع برای توصیف تابع دی‌الکتریک فلزات مدل درود و لورنتس است. در این مدل، پاسخ یک ذره فلزی به امواج الکترومغناطیسی مانند اثر نیروی خارجی بر یک الکترون تنها در نظر گرفته می‌شود. سپس پاسخ ماکروسکوپی، از ضرب اثر یک الکترون در تعداد الکترون‌ها به دست می‌آید. درود در نظریه خود، الکترون‌های فلز را به‌صورت گازی از ذرات با بار منفی در نظر گرفت که در داخل یک محیط شامل هسته‌های با بار مثبت حرکت می‌کند. در بیشتر محاسبات ترجیح داده می‌شود تا از داده‌های آزمایشگاهی برای ضریب شکست استفاده شود. مراجع مورد استفاده بیشتر پالیک یا جانسون کریستی است.

 

به نوسانات دوبعدی تجمعی الکترون‌های آزاد محدود شده به سطح فلز و در سطح مشترک فلز-دی الکتریک پلاسمون سطحی گفته می‌شود. پلاسمون‌ها نقش مهمی در ویژگی‌های اپتیکی فلزات بازی می‌کنند. اگر این پلاسمون‌های سطحی توسط موج الکترومغناطیسی (فوتون) برانگیخته شوند، پلاسمون پلاریتون سطحی ایجاد می‌شود. در واقع پلاسمون پلاریتون سطحی از جفت‌شدگی تشدیدی میدان الکترومغناطیسی خارجی با نوسانات چگالی بار الکترون‌های باند هدایت در یک فلز نتیجه می‌شود. این جفت‌‌شدگی باعث ارتعاش کوانتیزه الکترون‌های آزاد نسبت به یون‌های مثبت در فرکانس پلاسمایی خاصی می‌شود. این موج محدود شده‌ سطحی پاسخی از معادلات ماکسول در مرز دی‌الکتریک- فلز است. میدان الکترومغناطیسی یک پلاسمون پلاریتون سطحی در سطح یک فلز منتشر و در هر دو جهت درون فلز میرا می‌شود. به عبارتی، SPP یک تهییج الکترومغناطیسی است که به‌صورت موج گونه در سطح مشترک فلز-دی‌الکتریک منتشر می‌شود و دامنه آن با افزایش فاصله از سطح به‌صورت نمایی میرا می‌شود.

 

شماتیک تحریک پلاسمون سطحی در سطح مشترک یک فلز با تابع دی‌الکتریک εm(ω) و یک دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک εd

تحریک پلاسمون پلاریتون جایگزیده در یک نانوکره فلزی توسط میدان الکترومغناطیسی

علاوه بر سطوح تخت، پلاسمون‌های سطحی در هندسه‌های خمیده مثل نانوذرات فلزی یا فضاهای خالی در نانوساختارهای فلزی نیز برانگیخته می‌­شوند. تحت تاثیر میدان الکترومغناطیسی تابش فرودی الکترون های آزاد باند هدایت فلز نسبت به زمینه­ یون­ های مثبت فلز نوسان تجمعی انجام می‌­دهند که منجر به ایجاد بار قطبیده مؤثری در سطح فلز می­‌شود که به مانند یک نیروی بازگرداننده باعث تشدید نوسانات الکترونی در یک فرکانس خاص می­‌شود. این برانگیختگی پلاسمون­ های سطحی در هندسه­ های خمیده، پلاسمون سطحی جایگزیدۀ تشدیدی (LSPR) نامیده می‌­شود. برخلاف مدهای SPP در یک سطح تخت، رفتار تشدیدی LSPR از این نشأت می­‌گیرد که الکترون‌های هدایت فلز، محدود به نانو ذرات یا هندسه­ های خمیده هستند؛ در نتیجه فرکانس تشدیدی برانگیختگی پلاسمون­ ها نه تنها به توابع دی­الکتریک دو محیط، بلکه به اندازه و شکل ذرات نیز بستگی دارد. تحت شرایط تشدید، قطبش ­پذیری قوی نانوذره انرژی میدان خارجی را دریافت و باعث افزایش میدان در یک حجم نانومتری و همچنین باعث جذب و پراکندگی قوی در طول موج تشدید می­‌شود. از این ویژگی میدان تشدیدی پلاسمون سطحی جایگزیده در بسیاری از کاربردها استفاده می‌­شود. شکل زیر نشان می‌دهد که با تغییر اندازه و شکل و جنس نانوذرات فلزی طول موج پیک پلاسمونی قابل تنظیم است.

 

تنظیم طول موج پیک پلاسمونی با تغییر اندازه و شکل و جنس نانوذرات فلزی

 

از آن جا که محدود شدن الکترون‌های رسانش فلز در حجم کوچک نانوذره باعث رفتار تشدیدی پلاسمون‌های سطحی در ذرات فلزی است، ویژگی‌های تشدیدی مدهای LSPR وابسته به اندازه ذرات است. در واقع، برای ذرات کوچک سهم دوقطبی در سطح مقطع جذب و پراکندگی غالب است. برای ذرات بزرگتر از حد الکترواستاتیک (R>10nm) با افزایش اندازه ذره، طول موج تشدید پلاسمونی به سمت طول موج‌های بلند انتقال می‌یابد و پهنای پیک پلاسمونی نیز افزایش می‌یابد. با افزایش اندازه ذرات، نیروی بازگرداننده -به دلیل افزایش فاصله میان بارهای مثبت و منفی- کاهش می‌یابد و درنتیجه طول موج تشدید پلاسمونی به سمت طول موج‌های بلندتر و فرکانس‌های کوچک تر سوق پیدا می‌کند. از طرفی، با افزایش اندازه ذرات، پیک‌های جدید -که مربوط به تحریک چندقطبی‌های مرتبه بالاتر است- مشاهده می‌شود و در نتیجه، پیک پلاسمونی به سمت ناحیه طیفی قرمز رنگ منتقل می‌شود. دلیل تهییج مدهای مرتبه بالاتر، تأخیر فاز در ذرات بزرگتر است که منجر به حرکت الکترون‌ها در جهات و نواحی مختلف می‌شود. اولین مد مرتبه بالاتر -که در طیف پلاسمونی ظاهر می‌شود- مد چهار قطبی است که در آن بار الکتریکی در چهار قسمت از سطح کره انباشته می‌شود. افزایش پهنای تشدید نتیجۀ افزایش سهم واپاشی تابشی به علت افزایش حجم ذره است.

 

4الگوی میدان الکتریکی برای نانو ذرات طلا با قطرهای مختلف. برای نانوذرات کوچک میدان الکتریکی بیرون ذره قطبیدگی دوقطبی را از خود نشان می‌­دهد. برای ذرات بزرگتر مدهای مراتب بالاتر نیز برانگیخته می­‌شوند.منابع:

[1] S. A. Maier, Plasmonics: fundamentals and applications: Springer Science & Business Media, 2007.
[2] S. A. Maier and H. A. Atwater, “Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures,” Journal of Applied Physics, vol. 98, p. 10, 2005.
[3] P. B. Johnson and R.-W. Christy, “Optical constants of the noble metals,” Physical review B, vol. 6, p. 4370, 1972.
[4] A. V. Zayats, I. I. Smolyaninov, and A. A. Maradudin, “Nano-optics of surface plasmon polaritons,” Physics Reports, vol. 408, pp. 131–314, 2005.
[5] Z. Han and S. I. Bozhevolnyi, “Radiation guiding with surface plasmon polaritons,” Rep. Prog. Phys., vol. 76, p. 016402, 2013.
[6] Z. Han and S. I. Bozhevolnyi, “Radiation guiding with surface plasmon polaritons,” Reports on Progress in Physics, vol. 76, p. 016402, 2012.
[7] M. A. García, “Surface plasmons in metallic nanoparticles: fundamentals and applications,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, p. 283001, 2011.
[8] M. Valenti, M. Jonsson, G. Biskos, A. Schmidt-Ott, and W. Smith, “Plasmonic nanoparticle-semiconductor composites for efficient solar water splitting,” Journal of Materials Chemistry A, vol. 4, pp. 17891-17912, 2016.

 

منبع: رسالۀ دکتری بهروز افتخاری نیا، بهبود عملکرد فوتوالکترودهای اکسید فلزی به کمک خواص پلاسمونی نانوساختارهای آرایه ای و اصلاح با هم-کاتالیست‌های فلزی برای تجزیۀ فوتوالکتروشیمیایی آب، تیرماه 1396/ دانشگاه تربیت مدرس.

#iguru_soc_icon_wrap_6284c7741b07b a{ background: transparent; }#iguru_soc_icon_wrap_6284c7741b07b a:hover{ background: transparent; border-color: #00bda6; }#iguru_soc_icon_wrap_6284c7741b07b a{ color: #acacae; }#iguru_soc_icon_wrap_6284c7741b07b a:hover{ color: #ffffff; }