Svag kraft har stærk indflydelse på nanoark

Du skal se godt efter, men bakkerne er i live med van der Waals kraft.

Rice University-forskere fandt ud af, at naturens allestedsnærværende "svage" kraft er tilstrækkelig til at indrykke stive nanoark, udvide deres potentiale til brug i nanoskala optik eller katalytiske systemer.

Ændring af formen på partikler i nanoskala ændrer deres elektromagnetiske egenskaber, sagde Matt Jones, Norman og Gene Hackerman adjunkt i kemi og adjunkt i materialevidenskab og nanoteknik. Det gør fænomenet værd at studere nærmere.

"Folk bekymrer sig om partikelform, fordi formen ændrer dens optiske egenskaber, " sagde Jones. "Dette er en helt ny måde at ændre formen på en partikel på."

Jones og kandidatstuderende Sarah Rehn ledede undersøgelsen i American Chemical Society's Nano bogstaver.

Van der Waals er en svag kraft, der tillader neutrale molekyler at tiltrække hinanden gennem tilfældigt fluktuerende dipoler, afhængig af afstand. Skønt små, dets virkninger kan ses i makroverdenen, som når gekkoer går op ad vægge.

"Van der Waals styrker er overalt og, i det væsentlige, på nanoskalaen er alt klistret, " sagde Jones. "Når du sætter en stor, flad partikel på en stor, flad overflade, der er meget kontakt, og det er nok til permanent at deformere en partikel, der er virkelig tynd og fleksibel."

I den nye undersøgelse, Rice-holdet besluttede at se, om kraften kunne bruges til at manipulere 8 nanometer tykke plader af duktilt sølv. Efter at en matematisk model viste dem, var det muligt, de placerede 15 nanometer brede jernoxidnanosfærer på en overflade og dryssede prismeformede nanoplader over dem.

Uden at anvende nogen anden kraft, de så gennem et transmissionselektronmikroskop, at nanoarkene fik permanente buler, hvor ingen fandtes før, lige oven på kuglerne. Som målt, forvrængningerne var omkring 10 gange større end kuglernes bredde.

Bakkerne var ikke særlig høje, men simuleringer bekræftede, at van der Waals tiltrækning mellem arket og substratet, der omgiver kuglerne, var tilstrækkelig til at påvirke plasticiteten af ​​sølvets krystallinske atomgitter. De viste også, at den samme effekt ville forekomme i siliciumdioxid og cadmiumselenid nanoplader, og måske andre forbindelser.

"Vi forsøgte at gøre virkelig tynde, store sølv nanoplader, og da vi begyndte at tage billeder, vi så disse mærkelige, seksfoldede belastningsmønstre, som blomster, " sagde Jones, som fik et flerårigt Packard Fellowship i 2018 for at udvikle avancerede mikroskopiteknikker.

"Det gav ingen mening, men vi fandt til sidst ud af, at det var en lille kugle snavs, som pladen var draperet over, skabe belastningen, " sagde han. "Vi troede ikke, at nogen havde undersøgt det, så vi besluttede at tage et kig.

"Det handler om, at når du gør en partikel virkelig tynd, det bliver virkelig fleksibelt, selvom det er et stift metal, " sagde Jones.

I yderligere forsøg, forskerne så, at nanosfærer kunne bruges til at kontrollere formen på deformationen, fra enkelte kamme, når to kugler er tæt på, at sadle former eller isolerede buler, når kuglerne er længere fra hinanden.

De fastslog, at ark mindre end ca. 10 nanometer tykke og med billedformater på ca. 100 er mest modtagelige for deformation.

Forskerne bemærkede, at deres teknik skaber "en ny klasse af krumlinjede strukturer baseret på substrattopografi", som "ville være vanskelige at generere litografisk." Det åbner nye muligheder for elektromagnetiske enheder, der er særligt relevante for nanofotonisk forskning.

Stramning af sølvgitteret gør også det inerte metal til en mulig katalysator ved at skabe defekter, hvor kemiske reaktioner kan ske.

"Det her bliver spændende, fordi nu de fleste mennesker laver denne slags metamaterialer gennem litografi, " sagde Jones. "Det er et virkelig kraftfuldt værktøj, men når du først har brugt det til at mønstre dit metal, du kan aldrig ændre det.

"Nu har vi muligheden måske en dag, at bygge et materiale, der har ét sæt egenskaber og derefter ændre det ved at deformere det, " sagde han. "Fordi de kræfter, der kræves for at gøre det, er så små, vi håber at finde en måde at skifte mellem de to."