Forskere finder, at nanotråde har usædvanligt udtalte anelastiske egenskaber

Forskere fra North Carolina State University og Brown University har fundet ud af, at nanoskala ledninger (nanowires) lavet af almindelige halvledermaterialer har en udtalt anelasticitet - hvilket betyder, at ledningerne, når bøjet, vende langsomt tilbage til deres oprindelige form i stedet for at snappe tilbage hurtigt.

"Alle materialer har en vis grad af anelasticitet, men det er normalt ubetydeligt i makroskopisk skala, " siger Yong Zhu, en lektor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet. "Fordi nanotråde er så små, anelasticiteten er signifikant og let at observere - selvom det var en total overraskelse, da vi først opdagede anelasticiteten i nanotråde. "Anelasticiteten blev opdaget, da Zhu og hans elever studerede nanotråders spændende adfærd.

"Anelasticitet er en fundamental mekanisk egenskab ved nanotråde, og vi er nødt til at forstå denne slags mekaniske adfærd, hvis vi ønsker at inkorporere nanotråde i elektronik eller andre enheder, " siger Elizabeth Dickey, en professor i materialevidenskab og teknik ved NC State og medforfatter til papiret. Nanotråde lover godt til brug i en række forskellige applikationer, herunder fleksibel, strækbare og bærbare elektroniske enheder.

Forskerne arbejdede med både zinkoxid og silicium nanotråde, og fandt ud af, at - når de blev bøjet - ville nanotrådene øjeblikkeligt vende tilbage mere end 80 procent af vejen til deres oprindelige form, men returner resten af ​​vejen (op til 20 procent) langsomt.

"I nanotråde, der er cirka 50 nanometer i diameter, det kan tage 20 eller 30 minutter for dem at genvinde de sidste 20 procent af deres oprindelige form, " siger Guangming Cheng, en ph.d. studerende i Zhus laboratorium og den første forfatter til papiret.

Arbejdet blev udført ved hjælp af værktøjer udviklet i Zhu's gruppe, der gjorde det muligt for teamet at udføre eksperimenter på nanotråde, mens de var i et scannende elektronmikroskop. Yderligere analyse blev udført ved hjælp af et Titan-aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop i NC State's Analytical Instrumentation Facility.

Når noget materiale er bøjet, bindingerne mellem atomer strækkes eller komprimeres for at rumme bøjningen, men i materialer på nanoskala er der tid til, at atomerne også bevæger sig, eller diffus, fra det komprimerede område til det strakte område i materialet. Hvis du tænker på den bøjede nanotråd som en bue, atomerne bevæger sig fra indersiden af ​​buen til ydersiden. Når spændingen i den bøjede wire udløses, de atomer, der simpelthen bevægede sig tættere eller længere fra hinanden, snapper straks tilbage; det er det, vi kalder elasticitet. Men de atomer, der bevægede sig ud af position, tager tid at vende tilbage til deres oprindelige steder. Den tidsforsinkelse er et kendetegn ved anelasticitet.

"Dette fænomen udtales i nanotråde. F.eks. zinkoxidnanotråde udviste anelastisk adfærd, der er op til fire størrelsesordener større end den største anelasticitet, der er observeret i bulkmaterialer, med en restitutionstidsskala i størrelsesordenen minutter, " siger Huajian Gao, en professor ved Brown University og co-korresponderende forfatter til papiret. Detaljeret modellering af Gaos gruppe indikerer, at den udtalte anelasticitet i nanotråde skyldes, at det er meget lettere for atomer at bevæge sig gennem materialer på nanoskala end gennem bulkmaterialer. Og atomerne behøver ikke at rejse så langt. Ud over, nanotråde kan bukkes meget længere end tykkere ledninger uden at blive permanent deformeret eller gå i stykker.

"En anmelder kommenterede, at dette er en ny vigtig side i bogen om mekanik af nanostrukturer, hvilket var meget smigrende at høre, " siger Zhu. Holdet planlægger at undersøge, om denne udtalte anelasticitet er almindelig på tværs af materialer og strukturer i nanoskala. De ønsker også at evaluere, hvordan denne egenskab kan påvirke andre egenskaber, såsom elektrisk ledningsevne og termisk transport.

Papiret, "Stor anelasticitet og associeret energispredning i enkeltkrystallinske nanotråde, " er offentliggjort online i tidsskriftet Natur nanoteknologi .