Uventede fund viser, at nanopartikler bevarer deres indre krystalstruktur, mens de bøjer som dråber

Et overraskende fænomen er blevet fundet i metal nanopartikler:De vises, udefra, at være flydende dråber, vaklende og let skiftende form, mens deres interiør bevarer en perfekt stabil krystalkonfiguration.

Forskerholdet bag fundet, ledet af MIT professor Ju Li, siger, at arbejdet kan have vigtige konsekvenser for design af komponenter i nanoteknologi, såsom metalkontakter til molekylære elektroniske kredsløb.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , kommer fra en kombination af laboratorieanalyse og computermodellering, af et internationalt hold, der omfattede forskere i Kina, Japan, og Pittsburgh, samt på MIT.

Forsøgene blev udført ved stuetemperatur, med partikler af rent sølv mindre end 10 nanometer på tværs - mindre end en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Men resultaterne burde gælde for mange forskellige metaller, siger Li, seniorforfatter af papiret og BEA professor i nuklear videnskab og teknik.

Sølv har et relativt højt smeltepunkt - 962 grader Celsius, eller 1763 grader Fahrenheit - så observation af enhver væskelignende adfærd i dens nanopartikler var "ret uventet, " siger Li. Antydninger af det nye fænomen var blevet set i tidligere arbejde med tin, som har et meget lavere smeltepunkt, han siger.

Brugen af ​​nanopartikler i applikationer lige fra elektronik til lægemidler er et livligt forskningsområde; generelt, Li siger, disse forskere "ønsker at danne former, og de ønsker, at disse former skal være stabile, i mange tilfælde over en årrække." Så opdagelsen af ​​disse deformationer afslører en potentielt alvorlig barriere for mange sådanne anvendelser:F.eks. hvis guld- eller sølvnanoligamenter bruges i elektroniske kredsløb, disse deformationer kan hurtigt få elektriske forbindelser til at svigte.

Kun huddyb

Forskernes detaljerede billeddannelse med et transmissionselektronmikroskop og atomistisk modellering afslørede, at mens det ydre af metalnanopartiklerne ser ud til at bevæge sig som en væske, kun de yderste lag - et eller to atomer tykke - bevæger sig faktisk på et givet tidspunkt. Når disse ydre lag af atomer bevæger sig hen over overfladen og genaflejres andre steder, de giver indtryk af meget større bevægelse - men inde i hver partikel, atomerne forbliver perfekt på linje, som mursten i en væg.

"Det indre er krystallinsk, så de eneste mobile atomer er de første et eller to monolag, " siger Li. "Overalt undtagen de to første lag er krystallinsk."

Derimod hvis dråberne skulle smelte til en flydende tilstand, ordenen i krystalstrukturen ville blive fuldstændig elimineret - som en væg, der vælter ind i en bunke mursten.

Teknisk set, partiklernes deformation er pseudoelastisk, hvilket betyder, at materialet vender tilbage til sin oprindelige form efter at spændingerne er fjernet - som en sammenpresset gummikugle - i modsætning til plasticitet, som i en deformerbar klump ler, der bevarer en ny form.

Fænomenet plasticitet ved grænsefladediffusion blev først foreslået af Robert L. Coble, en professor i keramisk teknik ved MIT, og er kendt som "Coble creep." "Det, vi så, kaldes passende Coble-pseudoelasticitet, " siger Li.

Nu hvor fænomenet er blevet forstået, forskere, der arbejder på nanokredsløb eller andre nanoenheder, kan ganske let kompensere for det, siger Li. Hvis nanopartiklerne er beskyttet af selv et forsvindende tyndt lag oxid, den væskelignende adfærd er næsten fuldstændig elimineret, at muliggøre stabile kredsløb.

Mulige fordele

På den anden side, for nogle applikationer kan dette fænomen være nyttigt:F.eks. i kredsløb, hvor elektriske kontakter skal modstå rotationsrekonfiguration, partikler designet til at maksimere denne effekt kan vise sig nyttige, ved brug af ædelmetaller eller en reducerende atmosfære, hvor dannelsen af ​​et oxidlag er destabiliseret, siger Li.

Det nye fund er i strid med forventningerne – delvist, på grund af et velforstået forhold, i de fleste materialer, hvor den mekaniske styrke øges, når størrelsen reduceres.

"Generelt, jo mindre størrelse, jo højere styrke, "Li siger, men "i meget små størrelser, en materialekomponent kan blive meget svagere. Overgangen fra 'mindre er stærkere' til 'mindre er meget svagere' kan være meget skarp."

Den crossover, han siger, foregår ved omkring 10 nanometer ved stuetemperatur - en størrelse, som mikrochipproducenter nærmer sig, efterhånden som kredsløb skrumper. Når denne tærskel er nået, Li siger, det forårsager "et meget bratte fald" i en nanokomponents styrke.

Resultaterne kan også hjælpe med at forklare en række unormale resultater set i anden forskning om små partikler, siger Li.