Javidparvar@gmail.com
+989132050479

تُعد المواد الأساسية المبنية على الغرافين من أهم المواد الحديثة التي تم استخدامها في العديد من التطبيقات الهامة، مثل الإلكترونيات والطاقة والكيمياء والطب. ولتحقيق هذه التطبيقات، يتعين على العلماء دراسة خصائص المواد الأساسية المبنية على الغرافين، وذلك باستخدام تقنيات مختلفة، مثل FTIR و Raman و UV-Vis.

تقنية FTIR:

تعد تقنية FTIR من التقنيات المستخدمة في دراسة الخصائص الكيميائية للمواد الأساسية المبنية على الغرافين. وتتميز هذه التقنية بعدة مزايا، منها:

• قدرة على تحديد الروابط الكيميائية: حيث يمكن استخدام تقنية FTIR في تحديد الروابط الكيميائية المختلفة في المواد الأساسية المبنية على الغرافين.
• قدرة على تحديد التركيب البلوري: حيث يمكن استخدام تقنية FTIR في تحديد التركيب البلوري للمواد الأساسية المبنية على الغرافين، وذلك بفضل قدرتها على قياس الأشعة المنعكسة من المادة.
• سهولة الاستخدام: حيث يمكن استخدام تقنية FTIR بسهولة، وذلك بفضل توفر أجهزة FTIR المتطورة.

تقنية Raman:

تعد تقنية Raman من التقنيات المستخدمة في دراسة الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمواد الأساسية المبنية على الغرافين. وتتميز هذه التقنية بعدة مزايا، منها:

• قدرة على تحديد التركيب البلوري: حيث يمكن استخدام تقنية Raman في تحديد التركيب البلوري للمواد الأساسية المبنية على الغرافين، وذلك بفضل قدرتها على قياس التشتت الراماني للضوء.
• قدرة على تحديد الروابط الكيميائية: حيث يمكن استخدام تقنية Raman في تحديد الروابط الكيميائية المختلفة في المواد الأساسية المبنية على الغرافين.
• قدرة على تحليل الاهتزازات الجزيئية: حيث يمكن استخدام تقنية Raman في تحليل الاهتزازات الجزيئية للمواد الأساسية المبنية على الغرافين، وذلك بفضل قدرتها على قياس التشتت الراماني للضوء.

تقنية UV-Vis:

تعد تقنية UV-Vis من التقنيات المستخدمة في دراسة الخصائص الفيزيائية للمواد الأساسية المبنية على الغرافين. وتتميز هذه التقنية بعدة مزايا، منها:

• سرعة القياس: حيث تتميز تقنية UV-Vis بالسرعة في استخلاص الروابط الكيميائية، وذلك بفضل استخدام الأشعة فوق البنفسجية والمرئية.
• قدرة على التحليل الكمي: حيث يمكن استخدام تقنية UV-Vis في التحليل الكمي للروابط الكيميائية المختلفة في المواد.
• قدرة على تحديد التراكيز: حيث يمكن استخدام تقنية UV-Vis في تحديد التراكيز المختلفة للمواد، وذلك بفضل قدرتها على قياس الأشعة المنعكسة من المادة.
• سهولة الاستخدام: حيث يمكن استخدام تقنية UV-Vis بسهولة، وذلك بفضل توفر أجهزة UV-Vis المتطورة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه التقنيات في دراسة خصائص المواد الأساسية المبنية على الغرافين، مثل الخصائص البصرية والحرارية والمغناطيسية والإلكترونية. وبذلك، يتم تحقيق فهم أفضل لخصائص المواد الأساسية المبنية على الغرافين، وذلك لتطوير تطبيقات جديدة ومبتكرة في مجالات مختلفة.

Javidparvar@gmail.com
+989132050479

تختلف تقنيات الرامان والتحويل الفوري للأشعة تحت الحمراء (FTIR) في آلياتهما للتحليل وأنواع المعلومات التي توفرها. يستخدم كلا الأسلوبين لتحديد التركيب الكيميائي للعينة، ولكنهما يختلفان في طرق التحليل والمجالات التطبيقية. في هذه المقالة، سنستكشف الفروق بين تقنيات الرامان و FTIR وتطبيقاتها.

تعد تقنية الرامان طريقة غير مدمرة تستخدم الضوء المنبعث من الليزر لإثارة جزيئات عينة ما. يتم تحليل الضوء المنبعث لتحديد أوضاع الاهتزاز للجزيئات، والتي يمكن استخدامها لتحديد التركيب الكيميائي للعينة. اكتشف تأثير رامان لأول مرة من قبل C.V. رامان في عام 1928 ومنذ ذلك الحين أصبح أداة تحليلية هامة في الكيمياء وعلوم المواد والأحياء.

على الجانب الآخر، تستخدم تقنية FTIR الإشعاع تحت الحمراء لإثارة جزيئات عينة ما. يتم تشعيع العينة بمجموعة واسعة من طول موجات تحت الحمراء، ويتم قياس طيف الامتصاص. يوفر طيف الامتصاص معلومات حول المجموعات الوظيفية الموجودة في العينة، والتي يمكن استخدامها لتحديد التركيب الكيميائي للعينة. تم تطوير تقنية FTIR لأول مرة في الأربعينات من القرن الماضي وأصبحت تقنية تحليلية أساسية في العديد من المجالات، بما في ذلك الكيمياء وعلوم المواد والأحياء.

إحدى الفروق الرئيسية بين تقنيات الرامان و FTIR هي حساسيتهما لأنواع مختلفة من الاهتزازات الجزيئية. تعد تقنية الرامان أكثر حساسية للاهتزازات التي تنطوي على تغيرات في القطبية، مثل الاهتزازات الطولية والانحنائية لروابط C-H و N-H و O-H. من ناحية أخرى، تعد تقنية FTIR أكثر حساسية للاهتزازات التي تنطوي على تغيرات في اللحظة الدبوسية، مثل الاهتزازات الطولية والانحنائية لروابط C=O و C-N و C=C.

فيما يتعلق بتحديد أنواع مختلفة من المركبات الكيميائية، فإن تقنية الرامان مفيدة بشكل خاص لتحديد المركبات غير العضوية، مثل المعادن والسيراميك، التي تحتوي على إشارات قوية لتشتيت الرامان. من ناحية أخرى، تعد تقنية FTIR أكثر فائدة لتحديد المركبات العضوية، مثل البوليمرات والجزيئات الحيوية، التي تحتوي على إشارات امتصاص تحت الحمراء قوية.

تعتمد الاختيار بين تقنيات الرامان و FTIR على التطبيق المحدد ونوع العينة التي يتم تحليلها. غالبًا ما يتم استخدام تقنية الرامان لتحليل المواد غير العضوية، مثل المعادن والسيراميك والشبه موصلات. كما أنها مفيدة لتحليل العينات الحيوية، مثل الخلايا والأنسجة، حيث يمكن أن توفر إشارة تشتيت الرامان معلومات حول التركيب الكيميائي للعينة.

على الجانب الآخر، يتم استخدام تقنية FTIR غالبًا لتحليل المواد العضوية، مثل البوليمرات والجزيئات الحيوية والأدوية. كما أنها مفيدة لتحليل العينات البيئية، مثل الهواء والماء، حيث يمكن أن يوفر طيف الامتصاص تحت الحمراء معلومات حول وجود الملوثات والشوائب الأخرى.

بالإضافة إلى تطبيقاتهما التقليدية، فإن تقنيات الرامان و FTIR تجد استخدامات جديدة في المجالات الناشئة مثل التكنولوجيا النانوية والتصوير الطبي. تم استخدام تقنية الرامان لدراسة خصائص الجسيمات الفردية ولتصوير الأنسجة الحيوية على مستوى الخلية. كما تم استخدام تقنية FTIR لدراسة بنية البروتينات وتطوير أدوات تشخيص جديدة لأمراض مثل السرطان.

في الخلاصة، تعد تقنيات الرامان و FTIR اثنتين من التقنيات التحليلية القوية التي يتم استخدامها على نطاق واسع في الكيمياء وعلوم المواد والأحياء. على الرغم من اختلاف آلياتهما للتحليل وحساسيتهما لأنواع مختلفة من الاهتزازات الجزيئية، فإن كلاهما يوفر معلومات قيمة حول التركيب الكيميائي للعينة. يعتمد الاختيار بين تقنيات الرامان و FTIR على التطبيق المحدد ونوع العينة التي يتم تحليلها، ولكن لدى كلا التقنيتين مجالات واسعة من التطبيق في العديد من المجالات.

Javidparvar@gmail.com
+989132050479

استطارة رمان عندما يتم تسليط الضوء على الجزيئات، يتشتت الضوء بواسطة تلك الجزيئات. معظم موجات الضوء المستطارة يكون لها نفس تردد الضوء الساقط ولكن بعض الموجات سيكون لها تردد مختلف بسبب التفاعل بين تذبذب الضوء والاهتزاز الجزيئي. ظاهرة تشتت الضوء مع تغير التردد تسمى استطارة رامان. نظرًا لأن تغير التردد هذا خاص بالاهتزاز الجزيئي والفونون في البلور، فمن الممكن تحليل تكوين المواد أو معلومات الشبكة البلورية عن طريق تحليل طيف الضوء المستطار لرامان. طريقة التحليل هذه تسمى مطيافية رامان. وللتحليل في المنطقة المجهرية يستخدم مطياف رامان، حيث يتم دمج مطياف رامان مع ميكروسكوب (مطيافية رامان الميكروية).

Fig.1

في الآونة الأخيرة، أصبح من الشائع جدًا قياس طيف رامان لجميع النقاط في المنطقة وإعادة بناء الصورة المجهرية في نطاق طيف معين لمعرفة توزيع المعلومات الطيفية. إن أداة رامان التي لديها القدرة على إظهار صورة رامان الطيفية تسمى مجهر رامان.

Fig.2

ما هو طيف رامان؟

يحتوي الضوء المستطار لرامان على معلومات مختلفة عن الجزيئات في المادة. إذا قمت بفصل الضوء المستطار عن طريق الطول الموجي من أجل تفسيرها، يمكنك أن ترى أن ضوء رايلي المستطار الذي يساوي الطول الموجي للضوء الساقط تم الكشف عنه بقوة ويتم اكتشاف ضوء رامان المستطار على كلا الجانبين كما هو موضح في الشكل 3. يُطلق على ضوء رامان المستطار المكتشف على جانب الطول الموجي الأقصر من ضوء رايلي المبعثر خط ستوكس المضاد، والضوء المكتشف على جانب الطول الموجي الأطول يسمى خط ستوكس. بشكل عام، يتم استخدام خطوط ذات الكثافة العالية للتحليل.

Fig.3

يتم تحويل المعلومات الخاصة بكل طول موجي مشتت إلى رقم موجي (الطول الموجي1 / )  ويتم حساب الفرق مع عدد الموجة للضوء الساقط.  يسمى الفرق بين الأعداد الموجية على المحور الأفقي والشدة على المحور الرأسي طيف رامان. من المحور الأفقي ، يمكنك قراءة معلومات الاهتزاز الجزيئي، ومن المحور الرأسي، يمكنك قراءة قوة النشاط.

حيث يمكن تحديد نوع وجودة الروابط الكيميائية. علاوة على ذلك، إذا كانت مادة بلورية، فيمكن معرفة درجة التبلور والتشوه لـ الشبكة بلورية.

مطياف رامان هو شكل تشتت من التحليل الطيفي الجزيئي، غالبًا ما تتم مقارنته مع التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لأنّ كلاهما يوفر معلومات حول بنية وخصائص الجزيئات من تحولاتها الاهتزازية، يحدث امتصاص الأشعة تحت الحمراء عندما يكون تردد الضوء الوارد مساويًا للتردد الاهتزازي لوضع اهتزازي معين للجزيء الذي يسمح بامتصاص الفوتون “غير مبعثر”، هذا هو حدث فوتون واحد بالنسبة للعزم ثنائي القطب للجزيء.

على النقيض من ذلك، فإنّ تشتت رامان أو تبعثر رامان، أو “تأثير رامان” ، هو حدث ثنائي الفوتون ينطوي على تغيير في استقطاب الجزيء فيما يتعلق بحركته الاهتزازية في شكل طاقة مبعثرة، يؤدي تفاعل استقطاب الجزيء مع الضوء الوارد إلى إحداث عزم ثنائي القطب والضوء المنتشر بواسطة هذا ثنائي القطب المستحث يحتوي على “تشتت رامان” جنبًا إلى جنب مع “تشتت رايلي” ، “تبعثر رايلي” يتوافق مع الضوء المنتشر بشكل مرن، بنفس تردد الإشعاع الساقط، يتم تحويل “تشتت رامان” في التردد والطاقة من الإشعاع الساقط بمقدار الطاقة المكتسبة أو المفقودة في الجزيء حيث ينثر الطاقة ثمّ يصبح في حالة السكون.

توفر هذه التحولات الجزيئية المحددة، لكل من مطيافية، عند رسمها كطيف نمطًا فريدًا أو بصمة للمركب قيد التحقيق، بسبب خصائص التناظر للجزيء، قد لا تُرى الاهتزازات التي تُرى في طيف رامان “أو تُلاحظ بشكل ضعيف” في طيف الأشعة تحت الحمراء والعكس صحيح عند استجواب الجزيئات غير المتماثلة، يتم تلخيص هذا السلوك في قواعد الاختيار التي تحكم هذه الأنواع من التفاعلات، استنادًا إلى المعلومات الجزيئية المتشابهة، ولكن الفريدة، التي اكتسبتها هذه التقنيات، تعتبر وتقنيات تكميلية.

Fig.4

Fig.5

تاريخ تبعثر رامان

في عام (1928)، لاحظ “رامان” و”كريشنان” الظاهرة التي تُعرف الآن باسم “تأثير رامان” وهي أساس “مطياف رامان”، تتضمن هذه الظاهرة تفاعل الفوتونات مع جزيء يتبعه تشتت غير مرن عادةً عند طاقة أقل، تنتشر الفوتونات بشكل مرن، يشار إلى هذه الفوتونات المتناثرة غير المرنة ذات الطاقة المنخفضة بواحد في المليون باسم “تشتت ستوكس” وهي خاصة بالروابط داخل الجزيء ممّا ينتج عنه توقيع طيفي فريد لبنية جزيئية معينة.

تمّ إجراء تجربتهم باستخدام ضوء أحادي اللون، وتمّ ترشيح ضوء الشمس لتترك لونًا واحدًا فقط، ووجدوا في عام (1923) أنّ عددًا من السوائل غير لون الضوء، ولكن بشكل ضعيف جدًا، ثمّ في عام (1927) وجدوا تغيرًا قويًا في اللون بشكل خاص من الضوء المنتشر بواسطة الجلسرين حيث تغير الضوء الأزرق الساقط إلى اللون الأخضر، أخيرًا، في عام (1928)، تمّ إنشاء أول “طيف رامان” وخضع لاحقًا للعديد من التحسينات الهندسية حيث تقدم علم المواد في مجالات الليزر والبصريات وأجهزة الكشف.

References

• Keresztury, Gábor (2002). “Raman Spectroscopy: Theory”. Handbook of Vibrational Spectroscopy. 1. Chichester: Wiley. ISBN0471988472
• Raman, C. V. (1928). “A new radiation”. Indian Journal of Physics. 2: 387–398. hdl:10821/377
• S. Krishnan; Raman, C. V. (1928). “The Negative Absorption of Radiation”. Nature. 122 (3062): 12– 13. Bibcode:1928Natur.122…12R.  doi:10.1038/122012b0. ISSN 1476-4687. S2CID 4071281
• Singh, R. (2002). “C. V. Raman and the Discovery of the Raman Effect”. Physics in Perspective. 4 (4): 399–420. Bibcode:….4..399S