Styring af stivheden af ​​et materiale på nanoskala

Ved at bruge en nål langt tyndere end et menneskehår, videnskabsmænd afslørede, hvordan man kontrollerer mekanisk stivhed i et lovende materiale. Holdet påførte et elektrisk felt med en nål i nanostørrelse for at forårsage en reversibel ændring i arrangementet af atomerne i materialet. Denne ændring er en faseovergang. Holdet omkonfigurerede atomkraftmikroskopet, de brugte til at måle den resulterende ændring i materialets mekaniske egenskaber - med op til 30 procent ændring.

Evnen til at kontrollere og måle mekaniske egenskaber kan føre til lovende materialer til avanceret akustisk (f.eks. mikrofoner) og mikrobølgeenheder. Også, videnskabsmænd kunne bruge denne nye teknik til at afsløre nye fysikregler for overgange i et materiales atomare struktur. Forskere kunne anvende disse regler til at identificere nye materialer til aktuatorer, skifter, magnetiske feltsensorer, og computerhukommelse.

Når et materiale gennemgår en faseændring, dens atomare struktur er re-orienteret, og mange grundlæggende materialeegenskaber kan ændres, herunder mekanisk stivhed. Det betyder, at materialet kan blive hårdere eller blødere, hvilket er en vigtig overvejelse for applikationer, der udnytter materialevibrationer såsom sensorer eller andre elektroniske materialer. Traditionelt, videnskabsmænd har studeret faseændringer og mekaniske egenskaber med neutronspredning og mekanisk testning; desværre, disse teknikker kan ikke måle disse materialers reaktioner på nanoskalaen. Ultimativt, mikrostrukturen i nanoskala og den resulterende funktionalitet skal forstås for at forklare og forbedre enhedens ydeevne.

Forskere ledet af Oak Ridge National Laboratory har brugt en atomkraftmikroskopi (AFM) teknik til at afsløre spændingsinducerede ændringer i materialestivhed i et af de mest undersøgte multifunktionelle materialer - vismutjernoxid (BiFeO3). Brugen af ​​en multi-frekvens AFM-teknik tillader påføring af en spænding på nanometerlængdeskalaer og fandt en faseovergang som oprindelsen for ændringen i materialestivhed. Under en påført spænding, gigantisk stivhedsjustering blev fundet. Det er, materialets stivhed ændrede sig reversibelt over 30 procent, en ganske dramatisk ændring for disse materialer. Kobling med modellering muliggjorde en mere detaljeret forståelse af det observerede fænomen, når materialet bliver blødere under en påført spænding. Denne opdagelse og detaljerede forståelse af processer på nanometerlængdeskala kan have anvendelser i avancerede enheder fra højtydende mikrofoner til nye typer elektronisk hukommelse såvel som nye billeddannelsesteknikker til at sondere fysik relateret til materialeovergange.