Guldnanomembraner modstår bøjning i nyt eksperiment

Den første direkte måling af modstand mod bøjning i en nanoskala -membran er blevet foretaget af forskere fra University of Chicago, Peking Universitet, Weizmann Institute of Science og Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Deres forskning giver forskere en ny, enklere metode til måling af nanomaterialers modstand mod bøjning og strækning, og åbner nye muligheder for at skabe objekter og maskiner i nanostørrelse ved at kontrollere og skræddersy denne modstand. (Et nanometer er en milliarddel af en meter, cirka så længe dine negle vokser på et sekund.)

Forskergruppen arbejdede med en guld -nanomembran. "Det er som et stykke papir, kun ti tusinde gange tyndere, "sagde Heinrich Jaeger fra University of Chicago." Hvis du glider et stykke papir ud over kanten af ​​et bord, det bøjer sig. Guldnanomembranen opfører sig på samme måde, men det er hundrede gange stivere end papiret, hvis det skaleres til samme tykkelse - hundrede gange mere modstandsdygtigt over for bøjning.

"Forskere rundt om i verden søger måder at manipulere ultratynde nanomaterialer til stabile tredimensionelle objekter, "Jaeger sagde." Udfordringen er, hvordan man laver en todimensionel film til en tredimensionel form, når filmen er så tynd og fleksibel. Det er ligesom nano-origami:hvordan får du det til at holde en stabil form? Du har brug for noget stivere, end du ville forvente. Det viser sig, at mange nanomembraner allerede kan besidde denne egenskab. "

"Vi blev overraskede over at opdage, at nanomembranen af ​​guld var over hundrede gange mere modstandsdygtig over for bøjning, end vi havde forudsagt, baseret på standardelasticitetsteori og vores erfaring med tynde plader, såsom papir, "sagde Xiao-Min Lin, der fremstillede nanopartiklerne af guld i specialiserede faciliteter på Center for nanoskala materialer, en DOE Office of Science User Facility beliggende i Argonne. "Vi mener, at det er relateret til membranens indre struktur. Membranen er kun en nanopartikel tyk, så det er stort set hele overfladen med meget lidt indvendig volumen. Mindre strukturel forstyrrelse langs overfladen ville øge dets modstandsdygtighed mod bøjning betydeligt. Vi tror også, at molekylær pakning mellem nanopartikler kan påvirke dets evne til at bøje stærkt. "

Kritisk for holdets opdagelse var en ny metode til at skabe guldmembraner, der ruller sig til ruller i nanostørrelse og en ny teknik til måling af rullens modstand mod bøjning. Begge blev udviklet af Yifan Wang fra University of Chicago ved hjælp af CNMs faciliteter.

Guldnanoskrollerne blev selvsamlet ved at suspendere en væske indeholdende guldnanopartikler på en kulstofskærm. Da væsken tørrede, den efterlod en guldmembran ophængt som en nano-tromlehoved på tværs af skærmens cirkulære huller. Da membranerne fortsatte med at tørre og stramme, den ene kant blev trukket løs fra skærmen, og membranen rullede spontant op for at danne et hul rør.

"Der er mange måder at lave nanopartikelrør på, "sagde Wang, "men de involverer ting som at udsætte membraner for elektronstråler, som kan ændre fysiske egenskaber, såsom deres modstand mod bøjning og strækning - de ting, vi gerne ville måle. Vi havde brug for en ikke-invasiv måde at lave nanopartikelrør på uden at ændre disse egenskaber. "

Teamet fandt ud af, at en nanomembrans modstand mod både bøjning og strækning kan beregnes ud fra et enkelt eksperiment, der anvender atomkraftmikroskopi til at måle bøjningsmodstand i længden af ​​en monolagsmembran, der er blevet rullet ind i en hul cylinder. (Atomkraftmikroskopi bruger en fysisk sonde til at måle overfladedetaljer så små som en brøkdel af et nanometer.) Tidligere metoder krævede to separate forsøg på nanoskala -membraner - en til at måle strækningsmodstand og en anden til at måle bøjningsmodstand.

"Rørets reaktion på små lokale fordybninger er en underskrift af bidrag til både bøjning og strækning, "sagde Wang." Som et resultat, et enkelt sæt målinger af modstanden mod fordybning langs rørets længde giver direkte adgang til dets bøjningsmodul og strækningsmodul - nøgleparametre, der er nødvendige for at beregne modstand mod både bøjning og strækning. "

Da målingen kun er baseret på elasticitetsteori og rørets geometri, Wang forklarede, det bør have generel anvendelighed på tværs af en lang række materialer og størrelsesskalaer, fra nano- og mikrotubuli til virkelig makroskopiske objekter.

"Ultratynde plader med kun en nanopartikel tyk har unikke mekaniske egenskaber, "Wang sagde." Dette eksperiment giver nye input til uafhængig kontrol af modstand mod bøjning og strækning på nanoskalaen. Det bør være muligt at skræddersy bøjnings- og strækparametre og udvikle nye nanomaterialer og nano-objekter med specifikke ønskelige egenskaber. "