Flytning af objekter på nanoskala ved hjælp af termiske områder

Forskere rapporterer, at det er muligt at flytte en nanopartikel på overfladen af ​​et grafenark ved at anvende en temperaturforskel i enderne af membranen - en nanocluster på overfladen vil drive fra det varme område til det kolde. Ud over, i modsætning til makroskalaens fysiske love, kraften, der virker på partiklen - den såkaldte termoforetiske kraft - bør ikke falde, når arklængden stiger, i stedet for en såkaldt ballistisk adfærd, som en kugle i et geværløb. Faktisk, simuleringer viser, at vertikale termiske oscillationer af grafenmembranen flyder ballistisk fra varmt til koldt, giver et skub til objektet.

For at bruge en anden analogi, disse lodrette bølger, kendt som bøjningsfononer, skubbe nanoclusteren på samme måde som havets bølger skubber et surfbræt til land, uanset hvor langt væk bølgen kom fra. Disse teoretiske forudsigelser kunne være af stor interesse i at manipulere materialer på nanoskala. Forskningen er blevet offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Temperaturgradienter i en væske giver et legeme en kraft, der kan fortrænge det. Sådan et fænomen, teknisk benævnt termoforese, har været kendt i århundreder. For nylig, numeriske simuleringer har indikeret, at et sådant gradient-induceret rumligt skift også virker for molekyler eller små klynger placeret på en solid todimensionel membran som grafen. Men ingen har nogensinde forsøgt at forstå fysikken bag processen. Dette var målet med vores undersøgelse, " forklarer forskerne.

Ved hjælp af specifik software, forskerne har simuleret adfærden af ​​en lille guld nanocluster, lavet af et par hundrede atomer, adsorberet på en grafenplade suspenderet mellem to ender med forskellige temperaturer.

"I en sådan tilstand, partiklen bevæger sig faktisk fra den varme til den kolde ende. Overraskende nok, selvom, det tryk, der påføres det, afhænger kun af den termiske gradient og ikke af arklængden, " siger forskerne. Således, det er vist, at afstanden mellem de to ender af membranen ikke har nogen indflydelse på kraften, der virker på guldklyngen - denne kraft forbliver konstant op til og ud over en 100 nanometer arklængde.

"Vi har navngivet denne ejendommelige termoforese ballistisk, for at skelne det fra det diffuse, som naturligt holder i den makroskopiske verden. Ved hjælp af en simpel metafor, forestil dig de to ender af grafenarket som toppen og bunden af ​​en rutsjebane på legepladsen, og temperaturforskellen som højdegabet. I den makroskopiske verden, vi oplever i hverdagen, jo tættere enderne af rutsjebanen er, jo hurtigere falder objektet. I nanoverdenen, ifølge vores simuleringer, det er ikke hvad der sker. I denne skala, kraft og faldhastighed afhænger kun af temperaturgradienten. Men ikke på afstanden... Vi har fundet ud af, at den kraft, som partiklen oplever, skyldes vertikale termiske bevægelser, kendt som bøjningsfononer, som er særligt brede og bløde i en grafenmembran. Bøjningsfononfluxen flyder fra varmt til koldt uden at miste styrke og skubbe objektet over overfladen, " skriver forskerne.

Hvordan kan sådanne lodrette termiske bølger give et vandret skub til guldklyngen? "Vores undersøgelse viser, at en præcis anharmonisk mekanisme spiller en afgørende rolle i grafen og i andre todimensionelle fleksible membraner. Denne mekanisme giver bøjningsfononer med mekanisk momentum, som de normalt ikke har. Opfører sig som om de bærer en masse, fononer overfører en del af deres momentum til guldpartiklen, få det til at bevæge sig... Det er præcis som en dug på et bord - en bølge i midten (de bøjelige fononer), betyder højere stoftæthed i midten, tvinger ekstremerne til at trække sig sammen (de langsgående fononer, i tilfælde af grafen). Den aflejrede partikel er kun følsom over for korrugeringen, som skubber det fremad."

Forfatterne konkluderer, "Da dette projekt startede, vi forventede ikke at kunne observere så mange forskellige fænomener, det var et rent teoretisk studie. Vores resultater, selvom, åbner vejen for fremtidige eksperimenter, som en afstandsuafhængig mekanisk kraft kunne have praktiske anvendelser."